Аккумуляторная батарея является одним из самых дорогих компонентов во многих устройствах с автономным питанием, таких как электроинструменты или транспортные средства (часто стоит более половины общей цены). Её параметры и характеристики напрямую переводятся в главные параметры электромобиля, такие как запас хода, время зарядки, срок службы и надежность. Поэтому неудивительно, что вопрос управления АКБ является предметом постоянных исследований и разработок, направленных на повышение эффективности используемых источников питания.

С точки зрения разработчиков электромобилей, ключевыми показателями работы аккумуляторов являются их выходное напряжение, плотность энергии, выходная мощность и ожидаемый срок службы. С учетом указанных параметров одним из наиболее привлекательных типов аккумуляторов, представленных на сегодняшнем рынке, являются выполненные по технологии Li-Ion (литий-ионные элементы).

Использование литий-ионных аккумуляторов требует использования соответствующих схем управления. Разработка схем такого типа для электромобиля является сложной задачей, ведь для правильного управления батареей надо точно контролировать вольтамперные параметры элемента как в процессе заряда, так и разряда. Получение соответствующей точности измерений — непростая задача. Схема управления АКБ должна точно отслеживать температуру элементов, а также выполнять балансировку ячеек и контроль состояния заряда.

Преимущества и недостатки литиевых АКБ

Плотность энергии (выраженная как количество хранящейся в единице массы или объема) и отношение мощности к массе, являются двумя наиболее важными показателями при оценке аккумуляторов для электромобилей. Они напрямую влияют на характеристики авто, в том числе на его дальность, которая увеличивается с увеличением емкости аккумуляторов и уменьшением их веса.

На рисунке показано сравнение характеристик различных технологий производства аккумуляторов с точки зрения их пригодности для электромобилей. Литий-ионные батареи в настоящее время наиболее предпочтительный выбор, поскольку имеют наилучшую плотность энергии и отношение мощности к весу элемента. Однако есть и недостатки, наиболее серьезным из которых выступает сложный процесс обращения с ними. Зарядка такого типа элементов требует использования точных схем управления, кроме того, достоверно определить степень их заряда в любой момент времени достаточно сложно.

Литий-ионные элементы не только сложны в обращении, но и довольно опасны. Нередко выход из строя или неправильный контроль за работой одного элемента приводил к возгоранию всего устройства. Кроме того, эти схемы дороги из-за труднодоступных материалов и из-за сложности задействованных схем управления.

Характеристики литий-ионных аккумуляторов

На рисунке показаны зарядные и разрядные характеристики типичных литий-ионных элементов. Видно, что они характеризуются очень небольшим изменением выходного напряжения в процессе разряда, а также в течение подавляющего большинства времени заряда. Эта функция очень привлекательна для разработчиков электромобилей, поскольку упрощает построение силовых цепей.
В то же время при проектировании схем управляющих работой этих ячеек возникает проблема. Схема управления аккумулятором должна иметь возможность точно определять степень заряда не только из соображений безопасности, но и из-за важности этой информации для водителя машины. Количество заряда, хранящегося в источнике питания, определяет оставшийся запас хода автомобиля, а текущие характеристики дают информацию о степени износа элемента.

Характеристики ячеек зависят также от типа материалов из которых изготовлены их электроды. Максимальное выходное напряжение одного литий-ионного элемента колеблется в пределах 3,8–4,2 В, в зависимости от типа материалов используемых в конструкции анода и катода. Ячейка считается полностью заряженной если зарядный ток падает ниже определенного значения. Литий-ионные аккумуляторы заряжаются в два этапа – на первом этапе постоянным значением зарядного тока, а на последнем этапе постоянным зарядным напряжением.

С точки зрения срока службы элементов выгодно заряжать их до значения ниже 100% от максимальной емкости. Заключительный этап зарядки негативно влияет на электролит внутри элементов, сокращая срок их службы. Литий-ионные аккумуляторы также плохо переносят перезарядку, что может привести к их полному выходу из строя. Проектировщик должен учитывать все эти факторы и сделать оптимальный выбор, представляющий собой компромисс между сроком службы элементов, запасом хода автомобиля, скоростью его зарядки и уровнем безопасности.

В процессе проектирования схемы питания на базе литий-ионных аккумуляторов возникает немало сложностей и мелких препятствий. Отдельные элементы обычно соединяют в пакеты — последовательное и параллельное соединения, позволяющие увеличить выходное напряжение и ток. Такая конструкция значительно усложняет решение проблем перезарядки или разрядки отдельного элемента. Выходом из ситуации будет реализация в схеме управления так называемой балансировки аккумуляторов – возможность выравнивания состояния заряда отдельных ячеек в сборке.

Ещё важно следить за температурой отдельных ячеек. Значительное и быстрое повышение температуры любой из них обычно является признаком повреждения. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы не очень хорошо заряжаются при низких температурах. Следовательно схема управления должна иметь возможность нагревать АКБ, чтобы компенсировать этот эффект.

Но даже если процесс зарядки и разрядки аккумуляторов строго контролируется, максимальная емкость элементов уменьшается с возрастными изменениями и количеством выполняемых циклов. Чтобы свести к минимуму проблему, при использовании транспортного средства схема управления может замедлять скорость старения батарей и маскировать возникающие в результате изменения. Например новый аккумулятор может работать в неполном диапазоне заряда (от 30% до 70%), что еще больше продлит срок его службы. По мере старения схема управления может постепенно увеличивать рабочий диапазон, так что пользователь будет ощущать уменьшение максимального диапазона транспортного средства заметно меньше.

Схема контроля работы автобатареи

Типичный аккумуляторный блок используемый в электромобиле состоит из нескольких сотен литиевых элементов, соединенных вместе как в последовательной, так и в параллельной конфигурациях. Для управления его работой надо использовать схему одновременно выполняющую функции контроля, защиты и управления. Эта схема должна иметь возможность контролировать состояние и температуру каждой отдельной ячейки, а также заботиться об их балансе, то есть равномерном распределении нагрузки последовательно соединенных ячеек.

На рисунке представлена схема измерителя, контролирующего рабочие параметры отдельной ячейки. Особо важным вопросом является высокая точность измерения напряжения и тока, обусловленная очень малой изменчивостью этих параметров в процессе разрядки и зарядки элемента. Некоторые схемы управления также имеют встроенный кулоновый счетчик, то есть количество электрического заряда прошедшего от батарей и к ним. Это позволяет провести дополнительную проверку состояния заряда элемента и всей сборки.

Из-за важности задач, поставленных перед системой управления батареями, часто используются готовые решения доступные на рынке в виде специализированных интегральных микросхем. В продаже имеется множество моделей контроллеров этого типа, способных одновременно управлять десятками ячеек.

Система управления работой отдельной ячейки выполняет функцию CMU – Cell Management Unit. Один или несколько CMU могут быть подключены к системе более высокого порядка, управляющей работой группы ячеек (модуля) – MMU, Module Management Unit. Доступные на рынке контроллеры часто выполняют функции CMU и MMU одновременно, поскольку способны управлять работой сразу более чем одной ячейки.

Система, объединяющая одну или несколько систем MMU с микроконтроллером и другими необходимыми, выполняет функцию PMU – Pack Management Unit. На рисунке показаны различные типы топологий систем управления батареями. В зависимости от количества размещенных в системе микросхем типа MMU и способа их соединения с PMU различают централизованную архитектуру, распределенную архитектуру и основное/резервное соединение. Примерная схема системы типа PMU показана на рисунке.

Основные параметры каждой ячейки, такие как выходное напряжение и температура, контролируются CMU и передаются через гальванически развязанный интерфейс на процессор, управляющий всей схемой. Точность измерения, выполняемого одним CMU, существенно влияет на рабочие параметры всего аккумуляторного блока. Чем точнее измерение, тем лучше можно определить состояние заряда и другие общие характеристики источника питания.

Балансировка ячеек может выполняться пассивным и активным методом.

• В пассивном каждая ячейка подключается к нагрузке с помощью управляемого переключателя. В случае обнаружения слишком высокого уровня заряда данной ячейки (по отношению к другим ячейкам в АКБ) избыточный заряд может быть снят путем временного подключения нагрузки.
• В активном методе избыточная энергия не рассеивается в виде тепловой энергии на реактивном элементе, вместо этого она направляется в конденсатор или другую систему хранения, а оттуда в остальные ячейки. Это снижает уровень потерь и повышает эффективность процесса зарядки за счет дополнительных затрат и большей сложности, но такое решение обычно используется только в системах большой мощности.

Многие модели контроллеров оснащены специализированными выходами к которым должна подключаться нагрузка используемая в процессе пассивной балансировки. А МОП-транзистор для переключения этой схемы часто уже реализован в структуре контроллера.

Подведем итоги материала

Литий-ионные элементы обладают хорошими рабочими параметрами, благодаря чему в настоящее время выступают в качестве основного накопителя энергии в большинстве электромобилей. Но из-за специфики обращения с такими элементами для них требуется использование сложной схемы управления батареями. В ней реализовано множество важных функций, влияющих на безопасное использование устройства и его производительность.

Для корректной работы схемы управления батареями необходимо гарантировать соответствующую точность измерений основных параметров каждой литий-ионной ячейки, таких как температура и выходное напряжение. В продаже есть готовые модели контроллеров, способных одновременно управлять количеством до нескольких десятков ячеек. И эти схемы, связанные по соответствующей архитектуре, позволяют значительно упростить структуру всего АКБ.