Изучение принципа работы батареи Chevrolet Volt её системы управления и плат.
В основе Chevrolet Volt лежит сложная система управления батарейным блоком, обеспечивающая безопасность и надежность многоячеечной литий-ионной аккумуляторной батареи, которая по запросу подает питание на систему привода Volt.
В системе управления платы мониторинга аккумуляторов используют две ключевые подсистемы для надежного мониторинга состояния элементов и передачи цифровых результатов на главный процессор, который управляет работой системы. Разделяя эти подсистемы, сигнальный интерфейс обеспечивает изоляцию между цепями измерения высоковольтной батареи и устройствами связи на платах.
Мы рассмотрим проблемы, связанные с управлением высоковольтными литий-ионными батареями в автомобильных приложениях, и обсудим, как общая архитектура системы управления батареями Chevy Volt решает эти задачи. В частности, мы обсуждаем требования к мониторингу литий-ионных элементов и сосредотачиваемся на архитектуре и компонентах, используемых в подсистеме мониторинга ячеек, подсистеме цифровой связи и интерфейсе изоляции. Мы подробно рассмотрим детали, выбранные для этой конструкции, включая специализированный ASIC, Freescale S9S08DZ32 , Avago ACPL-M43T и Infineon TLE6250G.. Наконец, мы исследуем преимущества этого конкретного решения для критически важного управления стеком батарей и рассматриваем компромиссы с возможными альтернативами, доступными для аналогичных задач проектирования.
Для получения дополнительной видеоинформации
Проблемы с электромобилем
Chevrolet Volt - первый серийный электромобиль с аккумулятором, способный проехать почти 64 км только на батареях. Когда заряд аккумулятора достигает своего нижнего предела, бензиновый двигатель вырабатывает дополнительную электро- энергию, чтобы увеличить запас хода автомобиля на несколько сотен км. В основе автомобиля - литий-ионная аккумуляторная батарея длиной 1,8 м и весом181 кг, вырабатывающая мощность 16 кВт · ч, необходимую для вращения приводных двигателей, питания салонных функций и подачи питания на сложную систему управления аккумулятором, которая не уступает авиационным системам в их сложности.
Старший вице-президент IBM Роберт Леблан (Robert LeBlanc) отметил, что с его 10 миллионами строк кода содержание программного обеспечения Volt превосходит 7,5 миллионов строк кода, которые, как утверждается, используются в F-35 Lightning II Joint Strike Fighter Министерства обороны США, - уровень программного обеспечения, который сам по себе по данным Счетной палаты правительства США, более чем в три раза превышает кодовое содержание нынешних реактивных истребителей. Хотя ЛеБлан, вероятно, мог бы выбрать для сравнения менее спорную систему, Volt действительно вызывает споры. Возможно, ни один другой автомобиль не подвергался такому вниманию, как Volt. Действительно, когда испытательный автомобиль Volt загорелся после недельного простоя после испытательной аварии, инцидент послужил толчком к рассмотрению правительственным агентством и предложению выкупа от GM - даже несмотря на то, что никаких возгораний, связанных с аккумулятором, не произошло после реальных аварий.
В конечном итоге успех Volt зависит от признания его публикой и от его способности работать. С этой целью при разработке Volt компания GM вместе с IBM смоделировала работу «системы систем», питающих Volt. Используя подробные модели ключевых систем, программное обеспечение IBM проверило поведение и даже сгенерировало ключевые элементы программного кода, используемого в системах Volt. Такой подход к генерации кода и системному моделированию имел решающее значение для обеспечения производительности системы управления батареями Volt из-за сложных алгоритмов, необходимых для обеспечения, оптимальных характеристик и срока службы литий-ионных элементов; действительно, оптимизация таких ячеек остается очень активным направлением исследований в промышленности, правительстве и академических кругах. Для Volt.
Рис. 1. Система управления батареями Chevy Volt разделяет функции нескольких подсистем, реализованных на нескольких печатных платах. В центре внимания этой разборки находится модуль управления интерфейсом батареи - красная, синяя и зеленая платы, показанные выше во втором столбце справа. (Любезно предоставлено UBM TechInsights)
Характеристики литий-ионных элементов
Сложная система, необходимая для удовлетворения требований к характеристикам, безопасности и надежности вольт, напрямую зависит от характеристик литий- ионных элементов. В разряжающемся литий-ионном элементе литий ионизируется в (обычно) графит аноде, и ионы лития перемещаются через электролит, чтобы пройти через сепаратор к катоду, что приводит к потоку заряда. В процессе зарядки поток меняет направление, доставляя ионы Li от катода через сепаратор к аноду.
Производительность и надежность этого химического процесса зависят от температуры элемента и напряжения элемента. При низких температурах химическая реакция замедляется, что снижает напряжение элемента. По мере повышения температуры скорость реакции увеличивается до тех пор, пока компоненты литий-ионного элемента не начнут разрушаться. При температурах выше 100 ° C электролит начинает разрушаться, выделяя газы, которые могут вызвать повышение давления в элементах, разработанных без механизмов сброса давления. При достаточно высоких температурах литий-ионные элементы могут терять температуру, поскольку оксиды разлагаются с выделением кислорода, что еще больше ускоряет повышение температуры.
Следовательно, поддержание оптимальных рабочих условий для литий-ионных элементов является критическим требованием для системы управления батареями Volt. Проблема для инженеров Volt заключалась в обеспечении надежного сбора и анализа данных для мониторинга и контроля состояния литий-ионных элементов в автомобиле - проблема, усугубляемая природой самих литий-ионных элементов.
Одной из отличительных черт технологии литий-ионных элементов является то, что при заданной температуре и уровне выходного тока литий-ионный элемент поддерживает почти плоское выходное напряжение в середине диапазона своей емкости (Рисунок 2). Хотя эта характеристика усиливает преимущества литий- ионных аккумуляторов как источника питания, они усложняют попытки инженеров использовать простые измерения напряжения элементов, чтобы предоставить пользователям показатель оставшейся емкости аккумулятора, или SOC (состояние заряда). Для водителей Volt точное измерение SOC важно для оценки дальности действия транспортного средства. Действительно, для зарождающегося рынка электромобилей, на котором «беспокойство по поводу дальности» является ключевым препятствием для более широкого признания и продаж, точное определение SOC является существенным.
Рис. 2. При заданной температуре и уровне тока разряда литий-ионный элемент, такой как Panasonic CGR18650CG, демонстрирует почти постоянное выходное напряжение в средней части диапазона разряда. Это преимущество для источника питания, но усложнение для инженеров, которым необходимо точно измерить уровень заряда. (Любезно предоставлено Panasonic)
Кроме того, поддержание SOC в определенном диапазоне важно для продления срока службы батареи. Батареи, находящиеся на слишком низком или слишком высоком уровне заряда, будут деградировать быстрее, чем аккумуляторы, находящиеся на промежуточном уровне, чей конкретный диапазон обычно определяется эмпирически. Если дать возможность полностью разрядиться, компоненты литий-ионного элемента начинают разрушаться, что приводит к
необратимому повреждению; если позволить зарядиться за пределами рекомендованного диапазона пониженного напряжения, элементы могут перегреться или претерпеть необратимые изменения в структуре.
В Volt инженеры GM установили безопасное окно SOC от 58% до 65%, в зависимости от режима вождения, с нижним пределом в нормальном режиме вождения, установленным на 30% SOC и выше, режим «вождения в горах» установлен на 45%, чтобы обеспечить доступность. пропускная способность при движении вверх по склонам в течение продолжительных периодов времени. Когда напряжение достигает соответствующего нижнего предела SOC, бензиновый двигатель автомобиля включается для работы в расширенном диапазоне.
Оценка состояния заряда
Из-за неопределенности, связанной с измерением SOC в литий-ионных элементах, инженеры могут создавать только оценки SOC, обычно выполняемые с использованием методов на основе тока или напряжения.
Современные методы предлагают наиболее точные результаты. Такие методы отслеживают изменения заряда, по сути подсчитывая кулоны, добавленные к батарее во время зарядки или вычитаемые во время циклов разрядки, и определяют SOC относительно элемента в полностью заряженном состоянии. Однако потери на саморазряд или неэффективность самой батареи могут сделать метод «подсчета кулонов» ошибочным. Кроме того, поскольку непрерывный мониторинг нецелесообразен для многих приложений, в методах подсчета кулонов необходимо использовать метод отбора проб. В автомобильных приложениях подход должен быть достаточно быстрым и адаптивным, чтобы отслеживать быстрые разряды, связанные с ускорением, и быструю зарядку, связанную с рекуперативным торможением.
Методы, основанные на напряжении, оценивают SOC, используя мгновенное выходное напряжение ячейки в качестве основы для дальнейших вычислений, которые принимают во внимание такие переменные, как температура ячейки, возраст, выходной ток и скорость разряда. При использовании с точными характеристическими данными для отдельных литий-ионных элементов в нескольких рабочих условиях методы, основанные на напряжении, могут обеспечить точные оценки SOC. Для серийного автомобиля, такого как Volt, процедуры обслуживания учитывают необходимость точной характеристики элементов и предоставляют специальные инструменты и процедуры, которые позволяют системе управления батареями определять емкость нового аккумуляторного модуля - или при необходимости повторно определять емкость батареи.
Литий-ионная химия
Литий-ионные элементы включают в себя различные химические составы, каждый из которых предлагает определенные характеристики по плотности энергии, эффективности, долговечности и номинальному напряжению элемента. В элементах, которые LG Chem изготовила для Volt, используется катодно-литиево- ионная химия с марганцево-шпинельным катодом и собственный усиленный безопасностью сепаратор - полупроницаемая мембрана с керамическим покрытием. В масштабах отрасли литий-ионные элементы производятся в различных формах, включая уже знакомые цилиндрические формы; плоские пакеты, используемые в мобильных телефонах; и жесткопластические призматические формы. Для Volt в базовой ячейке LG Chem используется призматический корпус.
Как описывают аналитики из UBM TechInsights и Munro & Associates, полный аккумулятор Chevy Volt Battery Pack состоит из 288 призматических литий-ионных элементов, которые, в свою очередь, объединены в 96 групп аккумуляторных элементов для обеспечения напряжения системы, которое аналитики измерили на уровне 386,6 В постоянного тока. Эти группы аккумуляторных элементов, в свою очередь, объединены с датчиками температуры и охлаждающими элементами в четыре основных аккумуляторных модуля. Линии измерения напряжения, подключенные к каждой группе ячеек, заканчиваются разъемом наверху каждого модуля батареи, а жгут проводов измерения напряжения соединяет разъем с модулем интерфейса батареи, который находится наверху каждого модуля батареи. Здесь четыре модуля интерфейса батареи с цветовой кодировкой работают в разных положениях в батарее, что соответствует диапазонам низкого, среднего и высокого напряжения смещения постоянного напряжения для набора из четырех модулей.
Данные от модулей интерфейса батареи передаются вверх по потоку в модуль управления энергией батареи. Этот модуль, в свою очередь, передает информацию об условиях неисправности, состоянии и диагностическую информацию в модуль управления гибридной трансмиссией, который служит главным контроллером для диагностики на уровне транспортного средства. В любой момент вся система выполняет более 500 диагностик каждые десятые доли секунды; 85% этой диагностики сосредоточены на безопасности аккумуляторной батареи, а оставшаяся часть - на целевых характеристиках и сроке службы батареи.
Многослойная плата
Последующий анализ производительности батареи начинается с того, что в центре внимания : модуль управления интерфейсом батареи (рис. 3). Этот модуль представляет собой четырехслойную печатную плату, большинство компонентов которой расположено наверху, а также оранжевые разъемы для батарей и черный разъем для передачи данных. Самый верхний слой включает в себя заземляющий слой и сигнальные дорожки с несколькими переходными отверстиями, обеспечивающими соединение с нижними уровнями. На втором уровне плоскости питания и заземления расположены под высоковольтными областями печатной платы; третий слой содержит сигнальные следы, проходящие под этими областями. Другая сторона печатной платы, четвертый слой, используется для заземляющего слоя и сигнальных дорожек и содержит некоторые дополнительные компоненты.
Рис. 3. Каждая из четырех печатных плат модуля управления интерфейсом батареи в Chevy Volt объединяет несколько цепей считывания со схемой связи CAN, изолированной опто-парами, расположенными на краю подсистемы связи.
(Любезно предоставлено UBM TechInsights)
Черный разъем ATLPB-21-2AK, установленный на печатной плате, передает сигналы опорного напряжения 5 В, низкого опорного напряжения, сигнала заземления, последовательных данных шины CAN высокого уровня, последовательных данных низкого уровня шины CAN и сигналов неисправности высокого напряжения. Оранжевый разъем батареи несет линии сигнала температуры модуля батареи, низкого опорного напряжения и линии измерения напряжения от групп элементов батареи.
Подсистема датчиков
Сердцем системы управления интерфейсом батареи является сложная подсистема датчиков - полная встроенная системная схема, отвечающая за мониторинг выходного напряжения от каждой группы литий-ионных элементов и мониторинг температуры аккумуляторной батареи. Напряжение элемента проходит через разъем аккумулятора на L9763, ASIC, разработанный STMicroelectronics и LG Chem.
ASIC L9763 может контролировать до 10 отдельных групп литий-ионных ячеек, используя встроенные усилители считывания тока для мониторинга нагрузки ячейки и аналоговый мультиплексор на кристалле и схему выборки и хранения для мониторинга напряжения ячейки ( Рисунок 4). Дифференциальные входы устройства предназначены для обеспечения измерений с точностью до милливольт, несмотря на большие напряжения смещения, в зависимости от расположения элемента в аккумуляторной батарее. Кроме того, разработчики печатных плат использовали комбинацию техники трассировки, методов изоляции и заземляющих плоскостей, упомянутых ранее, чтобы обеспечить целостность сигнала в этой сложной среде.
Рис. 4. ASIC L9763 включает в себя схему на кристалле для измерения напряжения и тока групп вольт-ячеек, а также для балансировки заряда в этих ячейках с помощью методов пассивной резистивной балансировки ячеек. (Любезно предоставлено STMicroelectronics)
На основе этих измерений схема на кристалле устройства переключает отдельные группы ячеек во внешние резисторные сети для выборочной разрядки этих ячеек, чтобы уменьшить напряжение, возникающее из-за большой разницы напряжений. Этот простой пассивный метод обеспечивает надежное и недорогое решение для балансировки ячеек, но теряет эффективность, поскольку энергия теряется в виде тепла в разрядных резисторах (рис. 5). В альтернативных подходах к балансировке ячеек используются активные методы, в которых заряд от ячеек с самым высоким напряжением сохраняется и перераспределяется между ячейками с самым низким напряжением; в этих технологиях используются конденсаторы, катушки индуктивности или трансформаторы для хранения или перераспределения заряда
путем последовательного переключения между каждой ячейкой для накопления или разряда заряда в зависимости от ситуации. Однако какие активные методы могут выиграть в экономии энергии по сравнению с пассивными методами?
Рис. 5. Пассивная балансировка ячеек (слева) переключает высокие ячейки на разрядный резистор; Активные методы балансировки ячеек последовательно накапливают заряд на конденсаторе (показанном справа) или катушке индуктивности или используют трансформатор для распределения заряда по элементам с низким уровнем заряда.
(Любезно предоставлено
STMicroelectronics)
Для зарядки или разрядки многоячеечных литий-ионных аккумуляторных батарей в конструкциях обычно используется метод постоянного тока и постоянного напряжения, при котором система зарядки использует пару полевых МОП- транзисторов для уменьшения тока заряда при достижении желаемого напряжения заряда или увеличения тока во время разгрузочные операции. L9763 обеспечивает накачку заряда для управления силовыми полевыми МОП-транзисторами. ASIC передает данные измерений для своих контролируемых литий-ионных ячеек через интерфейс SPI в MCU Freescale S9S08DZ32. L9763 также обеспечивает выход LDO 5 В для MCU. Для общих функций управления батареями отдельные устройства L9763 связаны через встроенные интерфейсы и индивидуально адресуются посредством вертикальной последовательной связи с помощью первичного блока управления.
Микроконтроллер цепи считывания
Как описано ранее, оценка SOC для литий-ионных элементов является сложной задачей, требующей значительных вычислительных мощностей. В этой конструкции каждая подсистема считывания соединяет ASIC L9763 с микроконтроллером Freescale S9S08DZ32 40 МГц HCS08 с внутренней 32-кбайтной флеш-памятью, 2- кбайтной RAM и 1-килобайтной E2PROM на кристалле. Внешний генератор с частотой 4 МГц обеспечивает опорную частоту для работы тактовой частоты микроконтроллера.
В конструкции GM-LG Chem ожидается, что MCU будет выполнять необходимые вычисления, необходимые для оценки SOC, на основе измерений напряжения и тока, которые обеспечивает L9763. Хотя алгоритм SOC является запатентованным, процедуры настройки и обслуживания оборудования предполагают, что эти алгоритмы оценки объединяют оценки, основанные на напряжении, с
использованием сохраненных данных о характеристиках ячеек, с более прямым измерением заряда во время периодов заряда для промежуточной повторной калибровки. Использование среды подробного моделирования систем, описанной IBM, обеспечило бы идеальную платформу для поиска подходящих наборов данных для оптимизации вычислений SOC, а также для проверки подхода в широком диапазоне выборочных условий эксплуатации.
Функции безопасности HCS08, такие как сторожевой таймер, обеспечивающий правильную работу компьютера, помогают обеспечить надежную работу и вызывают автоматический сброс в случае неисправимых ошибок прикладного программного обеспечения. Особое значение для этого приложения имеет то, что S9S08DZ32 включает в себя сложный встроенный контроллер CAN, который можно выборочно выключать или переводить в спящий режим, когда он не используется (рисунок 6). Чтобы обеспечить предсказуемую производительность в реальном времени, встроенный контроллер включает пять буферов приема, организованных как буфер FIFO, и три буфера передачи, которые позволяют устанавливать приоритеты исходящих сообщений.
Рис. 6. Контроллер CAN на кристалле - ключевая особенность, определяющая выбор микроконтроллера Freescale S9S08DZ32 в качестве подсистемы считывания модуля управления интерфейсом батареи.
(Любезно предоставлено Fairchild Semiconductor)
Изоляция сигнала
В системе систем Chevy Volt связь и управление являются краеугольным камнем работы транспортного средства, а Volt предоставляет несколько сетей, которые изолируют и защищают отдельные подсистемы. Сложные алгоритмы управляют отдельными группами литий-ионных элементов и контролируют аккумуляторные блоки в каждой подсистеме датчиков на конкретном модуле управления интерфейсом аккумулятора. Однако в конечном итоге критически важные данные, необходимые для общего управления аккумулятором, содержатся в сигнальном интерфейсе шины CAN и в сигнале неисправности высокого напряжения. В то же время безопасность и надежность системы зависят от безопасной изоляции сети CAN-шины от цепей измерения высокого напряжения. Хотя изоляция может быть спроектирована с использованием различных методов и компонентов, суровые условия окружающей среды и многочисленные правила безопасности делают опто-пары предпочтительным решением для такого рода приложений.
Опто-пары обладают высокой устойчивостью к синфазным помехам и, по существу, невосприимчивы к электромагнитным помехам и электромагнитным помехам, связанным с электронно-шумными средами, такими как автомобили. Кроме того, эти типы устройств предлагают толстую многослойную изоляцию, которая имеет жизненно важное значение в условиях длительного напряжения постоянного тока от аккумуляторной батареи, а также быстрых переходных процессов высокого напряжения, которые могут возникнуть во время тестирования, подключения / отключения зарядного устройства и преобразование постоянного / постоянного тока.
При выборе этого критически важного компонента ключевые требования для автомобильных приложений включают в себя соответствующие характеристики корпуса и рабочего напряжения. Хотя характеристики производительности, такие как скорость, скорость передачи данных и энергопотребление, остаются важными, опасения по поводу электромагнитных помех из-за короткого времени переключения и сильноточных переходных процессов, как правило, ограничивают потребность в очень высокоскоростных устройствах и вместо этого повышают требования к большей гибкости в регулировке скорости нарастания. и производительность для дальнейшего ограничения электромагнитных помех.
Оптрон автомобильного класса
Опто-пара ACPL-M43T от Avago Technologies обеспечивает изоляцию печатных плат модуля управления интерфейсом батареи Volt. Член семейства Avago R2Coupler, M43T - это одноканальная цифровая опто-пара автомобильного уровня в пятипроводном корпусе SO-5 Jedec, предназначенная для поверхностного монтажа. Наряду с усиленной изоляцией устройства Avago R2Coupler, такие как M43T, используют двойные проволочные перемычки для усиления важных функциональных площадок (рис. 7). Кроме того, использование герметичных светодиодов автомобильного класса продемонстрировало повышенную надежность и широкий температурный диапазон, значительно превосходящий возможности опто-пар на основе светодиодов потребительского класса. Предназначенная для автомобильного применения деталь Avago производится в соответствии с системой качества ISO / TS16949 и соответствует спецификациям AEC-Q100.
Рис. 7. Для устройств R2Coupler автомобильного уровня, таких как опто-пара ACPL-M43T, Avago усиливает критически важные функциональные площадки с помощью двойных проводов (показано в выделенной области). (С разрешения Avago Technologies)
Устройство хорошо соответствует требованиям к аккумуляторной батарее Chevy Volt со спецификациями, которые включают постоянное рабочее напряжение 567 В, максимальное переходное перенапряжение 6000 В, путь утечки 5 мм и зазор 5 мм. Устройство отличается устойчивостью к синфазным переходным процессам 30 кВ / мкс для высокого или низкого логического уровня на выходе при прямом входном токе 10 мА, что снижает вероятность того, что переходные процессы от других автомобильных подсистем могут попасть в сеть передачи CAN.
Скорость передачи данных устройства в 1 Мбод более чем достаточна для такой конструкции. Кроме того, устройство имеет выход с открытым коллектором, что позволяет инженерам настраивать скорость нарастания выходного сигнала для уменьшения электромагнитных излучений, которые могут возникать в результате быстрого переключения в компонентах ниже по потоку, включая трансиверы CAN, несмотря на относительно низкие EMI, присущие протоколу физической передачи CAN. .
В печатной плате модуля интерфейса батареи устройства M43T располагаются на краю секции связи, изолируя ее от подсистем измерения высокого напряжения, которые дополнительно экранированы заземляющими поверхностями в более глубоких слоях печатной платы. Интерфейс изоляции обеспечивает три отдельных оптопары M43T для каждой из трех линий, выведенных из каждой цепи считывания, в частности, выходной контакт Freescale S9S08DZ32 CAN Tx, входной контакт CAN Rx MCU и сигнал неисправности высокого напряжения от MCU. Выходной сигнал с вывода CAN Tx MCU, например, проходит через экранированный сигнальный слой на печатной плате, чтобы достичь анода вывода 1 устройства M43T для подачи питания на встроенный светодиод, что приводит к изменению состояния на выводе 5Vo (рисунок 8). Изолированный сигнал затем передается на выходной каскад связи модуля интерфейса батареи.
Рис. 8. Оптопары Avago ACPL-M43T изолируют сигналы между MCU Freescale S9S08DZ32 и CAN-трансивером Infineon. (С разрешения Avago Technologies)
Физическая сигнализация
CAN Находясь в конце цепочки коммуникационных сигналов, приемопередатчик CAN Infineon TLE6250G представляет собой сертифицированную AEC ИС, которая обеспечивает передачу сигналов на физическом уровне CAN между физическим кабелем и обработчиком протокола CAN - здесь, MCU S9S08DZ32 (через изоляцию опто-пары) . Устройство, рассчитанное на скорость передачи CAN 1 Мбод, выполняет преобразование сигналов CAN_H и CAN_L на проводе дифференциального сигнала и доминирующих и рецессивных битов CAN, передаваемых и принимаемых S9S08DZ32.
Восьми контактный TLE6250G включает выводы Tx, Rx, Vcc, GND, CAN_H и CAN_L, а также два вывода управления режимом: INH и RM. Когда TLE6250G обнаруживает изменение на выводе Rx из рецессивного состояния CAN в доминирующее состояние, устройство переключает CAN_H на высокий уровень и CAN_L на низкий уровень (рисунок 9).
Это симметричное изменение состояния работает для уменьшения электромагнитных помех, поскольку электромагнитное излучение, вызванное повышением CAN_H, уравновешивается переходом в противоположном направлении CAN_L.
Рисунок 9. На физическом уровне CAN симметричное изменение CAN_H и CAN_L помогает снизить EMI. (С разрешения Infineon Technologies)
Устройство поддерживает три режима работы: нормальный, режим ожидания и только прием. Когда на выводе RM установлен низкий уровень, устройство работает в режиме только приема, что может быть полезно для диагностики. Когда на выводе INH установлен высокий уровень, устройство переходит в режим ожидания с низким энергопотреблением, который отключает функции передачи и приема.
В основе Chevrolet Volt лежит сложная система управления батарейным блоком, обеспечивающая безопасность и надежность многоячеечной литий-ионной аккумуляторной батареи, которая по запросу подает питание на систему привода Volt.
В системе управления платы мониторинга аккумуляторов используют две ключевые подсистемы для надежного мониторинга состояния элементов и передачи цифровых результатов на главный процессор, который управляет работой системы. Разделяя эти подсистемы, сигнальный интерфейс обеспечивает изоляцию между цепями измерения высоковольтной батареи и устройствами связи на платах.
Мы рассмотрим проблемы, связанные с управлением высоковольтными литий-ионными батареями в автомобильных приложениях, и обсудим, как общая архитектура системы управления батареями Chevy Volt решает эти задачи. В частности, мы обсуждаем требования к мониторингу литий-ионных элементов и сосредотачиваемся на архитектуре и компонентах, используемых в подсистеме мониторинга ячеек, подсистеме цифровой связи и интерфейсе изоляции. Мы подробно рассмотрим детали, выбранные для этой конструкции, включая специализированный ASIC, Freescale S9S08DZ32 , Avago ACPL-M43T и Infineon TLE6250G.. Наконец, мы исследуем преимущества этого конкретного решения для критически важного управления стеком батарей и рассматриваем компромиссы с возможными альтернативами, доступными для аналогичных задач проектирования.
Для получения дополнительной видеоинформации
Проблемы с электромобилем
Chevrolet Volt - первый серийный электромобиль с аккумулятором, способный проехать почти 64 км только на батареях. Когда заряд аккумулятора достигает своего нижнего предела, бензиновый двигатель вырабатывает дополнительную электро- энергию, чтобы увеличить запас хода автомобиля на несколько сотен км. В основе автомобиля - литий-ионная аккумуляторная батарея длиной 1,8 м и весом181 кг, вырабатывающая мощность 16 кВт · ч, необходимую для вращения приводных двигателей, питания салонных функций и подачи питания на сложную систему управления аккумулятором, которая не уступает авиационным системам в их сложности.
Старший вице-президент IBM Роберт Леблан (Robert LeBlanc) отметил, что с его 10 миллионами строк кода содержание программного обеспечения Volt превосходит 7,5 миллионов строк кода, которые, как утверждается, используются в F-35 Lightning II Joint Strike Fighter Министерства обороны США, - уровень программного обеспечения, который сам по себе по данным Счетной палаты правительства США, более чем в три раза превышает кодовое содержание нынешних реактивных истребителей. Хотя ЛеБлан, вероятно, мог бы выбрать для сравнения менее спорную систему, Volt действительно вызывает споры. Возможно, ни один другой автомобиль не подвергался такому вниманию, как Volt. Действительно, когда испытательный автомобиль Volt загорелся после недельного простоя после испытательной аварии, инцидент послужил толчком к рассмотрению правительственным агентством и предложению выкупа от GM - даже несмотря на то, что никаких возгораний, связанных с аккумулятором, не произошло после реальных аварий.
В конечном итоге успех Volt зависит от признания его публикой и от его способности работать. С этой целью при разработке Volt компания GM вместе с IBM смоделировала работу «системы систем», питающих Volt. Используя подробные модели ключевых систем, программное обеспечение IBM проверило поведение и даже сгенерировало ключевые элементы программного кода, используемого в системах Volt. Такой подход к генерации кода и системному моделированию имел решающее значение для обеспечения производительности системы управления батареями Volt из-за сложных алгоритмов, необходимых для обеспечения, оптимальных характеристик и срока службы литий-ионных элементов; действительно, оптимизация таких ячеек остается очень активным направлением исследований в промышленности, правительстве и академических кругах. Для Volt.
Рис. 1. Система управления батареями Chevy Volt разделяет функции нескольких подсистем, реализованных на нескольких печатных платах. В центре внимания этой разборки находится модуль управления интерфейсом батареи - красная, синяя и зеленая платы, показанные выше во втором столбце справа. (Любезно предоставлено UBM TechInsights)
Характеристики литий-ионных элементов
Сложная система, необходимая для удовлетворения требований к характеристикам, безопасности и надежности вольт, напрямую зависит от характеристик литий- ионных элементов. В разряжающемся литий-ионном элементе литий ионизируется в (обычно) графит аноде, и ионы лития перемещаются через электролит, чтобы пройти через сепаратор к катоду, что приводит к потоку заряда. В процессе зарядки поток меняет направление, доставляя ионы Li от катода через сепаратор к аноду.
Производительность и надежность этого химического процесса зависят от температуры элемента и напряжения элемента. При низких температурах химическая реакция замедляется, что снижает напряжение элемента. По мере повышения температуры скорость реакции увеличивается до тех пор, пока компоненты литий-ионного элемента не начнут разрушаться. При температурах выше 100 ° C электролит начинает разрушаться, выделяя газы, которые могут вызвать повышение давления в элементах, разработанных без механизмов сброса давления. При достаточно высоких температурах литий-ионные элементы могут терять температуру, поскольку оксиды разлагаются с выделением кислорода, что еще больше ускоряет повышение температуры.
Следовательно, поддержание оптимальных рабочих условий для литий-ионных элементов является критическим требованием для системы управления батареями Volt. Проблема для инженеров Volt заключалась в обеспечении надежного сбора и анализа данных для мониторинга и контроля состояния литий-ионных элементов в автомобиле - проблема, усугубляемая природой самих литий-ионных элементов.
Одной из отличительных черт технологии литий-ионных элементов является то, что при заданной температуре и уровне выходного тока литий-ионный элемент поддерживает почти плоское выходное напряжение в середине диапазона своей емкости (Рисунок 2). Хотя эта характеристика усиливает преимущества литий- ионных аккумуляторов как источника питания, они усложняют попытки инженеров использовать простые измерения напряжения элементов, чтобы предоставить пользователям показатель оставшейся емкости аккумулятора, или SOC (состояние заряда). Для водителей Volt точное измерение SOC важно для оценки дальности действия транспортного средства. Действительно, для зарождающегося рынка электромобилей, на котором «беспокойство по поводу дальности» является ключевым препятствием для более широкого признания и продаж, точное определение SOC является существенным.
Рис. 2. При заданной температуре и уровне тока разряда литий-ионный элемент, такой как Panasonic CGR18650CG, демонстрирует почти постоянное выходное напряжение в средней части диапазона разряда. Это преимущество для источника питания, но усложнение для инженеров, которым необходимо точно измерить уровень заряда. (Любезно предоставлено Panasonic)
Кроме того, поддержание SOC в определенном диапазоне важно для продления срока службы батареи. Батареи, находящиеся на слишком низком или слишком высоком уровне заряда, будут деградировать быстрее, чем аккумуляторы, находящиеся на промежуточном уровне, чей конкретный диапазон обычно определяется эмпирически. Если дать возможность полностью разрядиться, компоненты литий-ионного элемента начинают разрушаться, что приводит к
необратимому повреждению; если позволить зарядиться за пределами рекомендованного диапазона пониженного напряжения, элементы могут перегреться или претерпеть необратимые изменения в структуре.
В Volt инженеры GM установили безопасное окно SOC от 58% до 65%, в зависимости от режима вождения, с нижним пределом в нормальном режиме вождения, установленным на 30% SOC и выше, режим «вождения в горах» установлен на 45%, чтобы обеспечить доступность. пропускная способность при движении вверх по склонам в течение продолжительных периодов времени. Когда напряжение достигает соответствующего нижнего предела SOC, бензиновый двигатель автомобиля включается для работы в расширенном диапазоне.
Оценка состояния заряда
Из-за неопределенности, связанной с измерением SOC в литий-ионных элементах, инженеры могут создавать только оценки SOC, обычно выполняемые с использованием методов на основе тока или напряжения.
Современные методы предлагают наиболее точные результаты. Такие методы отслеживают изменения заряда, по сути подсчитывая кулоны, добавленные к батарее во время зарядки или вычитаемые во время циклов разрядки, и определяют SOC относительно элемента в полностью заряженном состоянии. Однако потери на саморазряд или неэффективность самой батареи могут сделать метод «подсчета кулонов» ошибочным. Кроме того, поскольку непрерывный мониторинг нецелесообразен для многих приложений, в методах подсчета кулонов необходимо использовать метод отбора проб. В автомобильных приложениях подход должен быть достаточно быстрым и адаптивным, чтобы отслеживать быстрые разряды, связанные с ускорением, и быструю зарядку, связанную с рекуперативным торможением.
Методы, основанные на напряжении, оценивают SOC, используя мгновенное выходное напряжение ячейки в качестве основы для дальнейших вычислений, которые принимают во внимание такие переменные, как температура ячейки, возраст, выходной ток и скорость разряда. При использовании с точными характеристическими данными для отдельных литий-ионных элементов в нескольких рабочих условиях методы, основанные на напряжении, могут обеспечить точные оценки SOC. Для серийного автомобиля, такого как Volt, процедуры обслуживания учитывают необходимость точной характеристики элементов и предоставляют специальные инструменты и процедуры, которые позволяют системе управления батареями определять емкость нового аккумуляторного модуля - или при необходимости повторно определять емкость батареи.
Литий-ионная химия
Литий-ионные элементы включают в себя различные химические составы, каждый из которых предлагает определенные характеристики по плотности энергии, эффективности, долговечности и номинальному напряжению элемента. В элементах, которые LG Chem изготовила для Volt, используется катодно-литиево- ионная химия с марганцево-шпинельным катодом и собственный усиленный безопасностью сепаратор - полупроницаемая мембрана с керамическим покрытием. В масштабах отрасли литий-ионные элементы производятся в различных формах, включая уже знакомые цилиндрические формы; плоские пакеты, используемые в мобильных телефонах; и жесткопластические призматические формы. Для Volt в базовой ячейке LG Chem используется призматический корпус.
Как описывают аналитики из UBM TechInsights и Munro & Associates, полный аккумулятор Chevy Volt Battery Pack состоит из 288 призматических литий-ионных элементов, которые, в свою очередь, объединены в 96 групп аккумуляторных элементов для обеспечения напряжения системы, которое аналитики измерили на уровне 386,6 В постоянного тока. Эти группы аккумуляторных элементов, в свою очередь, объединены с датчиками температуры и охлаждающими элементами в четыре основных аккумуляторных модуля. Линии измерения напряжения, подключенные к каждой группе ячеек, заканчиваются разъемом наверху каждого модуля батареи, а жгут проводов измерения напряжения соединяет разъем с модулем интерфейса батареи, который находится наверху каждого модуля батареи. Здесь четыре модуля интерфейса батареи с цветовой кодировкой работают в разных положениях в батарее, что соответствует диапазонам низкого, среднего и высокого напряжения смещения постоянного напряжения для набора из четырех модулей.
Данные от модулей интерфейса батареи передаются вверх по потоку в модуль управления энергией батареи. Этот модуль, в свою очередь, передает информацию об условиях неисправности, состоянии и диагностическую информацию в модуль управления гибридной трансмиссией, который служит главным контроллером для диагностики на уровне транспортного средства. В любой момент вся система выполняет более 500 диагностик каждые десятые доли секунды; 85% этой диагностики сосредоточены на безопасности аккумуляторной батареи, а оставшаяся часть - на целевых характеристиках и сроке службы батареи.
Многослойная плата
Последующий анализ производительности батареи начинается с того, что в центре внимания : модуль управления интерфейсом батареи (рис. 3). Этот модуль представляет собой четырехслойную печатную плату, большинство компонентов которой расположено наверху, а также оранжевые разъемы для батарей и черный разъем для передачи данных. Самый верхний слой включает в себя заземляющий слой и сигнальные дорожки с несколькими переходными отверстиями, обеспечивающими соединение с нижними уровнями. На втором уровне плоскости питания и заземления расположены под высоковольтными областями печатной платы; третий слой содержит сигнальные следы, проходящие под этими областями. Другая сторона печатной платы, четвертый слой, используется для заземляющего слоя и сигнальных дорожек и содержит некоторые дополнительные компоненты.
Рис. 3. Каждая из четырех печатных плат модуля управления интерфейсом батареи в Chevy Volt объединяет несколько цепей считывания со схемой связи CAN, изолированной опто-парами, расположенными на краю подсистемы связи.
(Любезно предоставлено UBM TechInsights)
Черный разъем ATLPB-21-2AK, установленный на печатной плате, передает сигналы опорного напряжения 5 В, низкого опорного напряжения, сигнала заземления, последовательных данных шины CAN высокого уровня, последовательных данных низкого уровня шины CAN и сигналов неисправности высокого напряжения. Оранжевый разъем батареи несет линии сигнала температуры модуля батареи, низкого опорного напряжения и линии измерения напряжения от групп элементов батареи.
Подсистема датчиков
Сердцем системы управления интерфейсом батареи является сложная подсистема датчиков - полная встроенная системная схема, отвечающая за мониторинг выходного напряжения от каждой группы литий-ионных элементов и мониторинг температуры аккумуляторной батареи. Напряжение элемента проходит через разъем аккумулятора на L9763, ASIC, разработанный STMicroelectronics и LG Chem.
ASIC L9763 может контролировать до 10 отдельных групп литий-ионных ячеек, используя встроенные усилители считывания тока для мониторинга нагрузки ячейки и аналоговый мультиплексор на кристалле и схему выборки и хранения для мониторинга напряжения ячейки ( Рисунок 4). Дифференциальные входы устройства предназначены для обеспечения измерений с точностью до милливольт, несмотря на большие напряжения смещения, в зависимости от расположения элемента в аккумуляторной батарее. Кроме того, разработчики печатных плат использовали комбинацию техники трассировки, методов изоляции и заземляющих плоскостей, упомянутых ранее, чтобы обеспечить целостность сигнала в этой сложной среде.
Рис. 4. ASIC L9763 включает в себя схему на кристалле для измерения напряжения и тока групп вольт-ячеек, а также для балансировки заряда в этих ячейках с помощью методов пассивной резистивной балансировки ячеек. (Любезно предоставлено STMicroelectronics)
На основе этих измерений схема на кристалле устройства переключает отдельные группы ячеек во внешние резисторные сети для выборочной разрядки этих ячеек, чтобы уменьшить напряжение, возникающее из-за большой разницы напряжений. Этот простой пассивный метод обеспечивает надежное и недорогое решение для балансировки ячеек, но теряет эффективность, поскольку энергия теряется в виде тепла в разрядных резисторах (рис. 5). В альтернативных подходах к балансировке ячеек используются активные методы, в которых заряд от ячеек с самым высоким напряжением сохраняется и перераспределяется между ячейками с самым низким напряжением; в этих технологиях используются конденсаторы, катушки индуктивности или трансформаторы для хранения или перераспределения заряда
путем последовательного переключения между каждой ячейкой для накопления или разряда заряда в зависимости от ситуации. Однако какие активные методы могут выиграть в экономии энергии по сравнению с пассивными методами?
Рис. 5. Пассивная балансировка ячеек (слева) переключает высокие ячейки на разрядный резистор; Активные методы балансировки ячеек последовательно накапливают заряд на конденсаторе (показанном справа) или катушке индуктивности или используют трансформатор для распределения заряда по элементам с низким уровнем заряда.
(Любезно предоставлено
STMicroelectronics)
Для зарядки или разрядки многоячеечных литий-ионных аккумуляторных батарей в конструкциях обычно используется метод постоянного тока и постоянного напряжения, при котором система зарядки использует пару полевых МОП- транзисторов для уменьшения тока заряда при достижении желаемого напряжения заряда или увеличения тока во время разгрузочные операции. L9763 обеспечивает накачку заряда для управления силовыми полевыми МОП-транзисторами. ASIC передает данные измерений для своих контролируемых литий-ионных ячеек через интерфейс SPI в MCU Freescale S9S08DZ32. L9763 также обеспечивает выход LDO 5 В для MCU. Для общих функций управления батареями отдельные устройства L9763 связаны через встроенные интерфейсы и индивидуально адресуются посредством вертикальной последовательной связи с помощью первичного блока управления.
Микроконтроллер цепи считывания
Как описано ранее, оценка SOC для литий-ионных элементов является сложной задачей, требующей значительных вычислительных мощностей. В этой конструкции каждая подсистема считывания соединяет ASIC L9763 с микроконтроллером Freescale S9S08DZ32 40 МГц HCS08 с внутренней 32-кбайтной флеш-памятью, 2- кбайтной RAM и 1-килобайтной E2PROM на кристалле. Внешний генератор с частотой 4 МГц обеспечивает опорную частоту для работы тактовой частоты микроконтроллера.
В конструкции GM-LG Chem ожидается, что MCU будет выполнять необходимые вычисления, необходимые для оценки SOC, на основе измерений напряжения и тока, которые обеспечивает L9763. Хотя алгоритм SOC является запатентованным, процедуры настройки и обслуживания оборудования предполагают, что эти алгоритмы оценки объединяют оценки, основанные на напряжении, с
использованием сохраненных данных о характеристиках ячеек, с более прямым измерением заряда во время периодов заряда для промежуточной повторной калибровки. Использование среды подробного моделирования систем, описанной IBM, обеспечило бы идеальную платформу для поиска подходящих наборов данных для оптимизации вычислений SOC, а также для проверки подхода в широком диапазоне выборочных условий эксплуатации.
Функции безопасности HCS08, такие как сторожевой таймер, обеспечивающий правильную работу компьютера, помогают обеспечить надежную работу и вызывают автоматический сброс в случае неисправимых ошибок прикладного программного обеспечения. Особое значение для этого приложения имеет то, что S9S08DZ32 включает в себя сложный встроенный контроллер CAN, который можно выборочно выключать или переводить в спящий режим, когда он не используется (рисунок 6). Чтобы обеспечить предсказуемую производительность в реальном времени, встроенный контроллер включает пять буферов приема, организованных как буфер FIFO, и три буфера передачи, которые позволяют устанавливать приоритеты исходящих сообщений.
Рис. 6. Контроллер CAN на кристалле - ключевая особенность, определяющая выбор микроконтроллера Freescale S9S08DZ32 в качестве подсистемы считывания модуля управления интерфейсом батареи.
(Любезно предоставлено Fairchild Semiconductor)
Изоляция сигнала
В системе систем Chevy Volt связь и управление являются краеугольным камнем работы транспортного средства, а Volt предоставляет несколько сетей, которые изолируют и защищают отдельные подсистемы. Сложные алгоритмы управляют отдельными группами литий-ионных элементов и контролируют аккумуляторные блоки в каждой подсистеме датчиков на конкретном модуле управления интерфейсом аккумулятора. Однако в конечном итоге критически важные данные, необходимые для общего управления аккумулятором, содержатся в сигнальном интерфейсе шины CAN и в сигнале неисправности высокого напряжения. В то же время безопасность и надежность системы зависят от безопасной изоляции сети CAN-шины от цепей измерения высокого напряжения. Хотя изоляция может быть спроектирована с использованием различных методов и компонентов, суровые условия окружающей среды и многочисленные правила безопасности делают опто-пары предпочтительным решением для такого рода приложений.
Опто-пары обладают высокой устойчивостью к синфазным помехам и, по существу, невосприимчивы к электромагнитным помехам и электромагнитным помехам, связанным с электронно-шумными средами, такими как автомобили. Кроме того, эти типы устройств предлагают толстую многослойную изоляцию, которая имеет жизненно важное значение в условиях длительного напряжения постоянного тока от аккумуляторной батареи, а также быстрых переходных процессов высокого напряжения, которые могут возникнуть во время тестирования, подключения / отключения зарядного устройства и преобразование постоянного / постоянного тока.
При выборе этого критически важного компонента ключевые требования для автомобильных приложений включают в себя соответствующие характеристики корпуса и рабочего напряжения. Хотя характеристики производительности, такие как скорость, скорость передачи данных и энергопотребление, остаются важными, опасения по поводу электромагнитных помех из-за короткого времени переключения и сильноточных переходных процессов, как правило, ограничивают потребность в очень высокоскоростных устройствах и вместо этого повышают требования к большей гибкости в регулировке скорости нарастания. и производительность для дальнейшего ограничения электромагнитных помех.
Оптрон автомобильного класса
Опто-пара ACPL-M43T от Avago Technologies обеспечивает изоляцию печатных плат модуля управления интерфейсом батареи Volt. Член семейства Avago R2Coupler, M43T - это одноканальная цифровая опто-пара автомобильного уровня в пятипроводном корпусе SO-5 Jedec, предназначенная для поверхностного монтажа. Наряду с усиленной изоляцией устройства Avago R2Coupler, такие как M43T, используют двойные проволочные перемычки для усиления важных функциональных площадок (рис. 7). Кроме того, использование герметичных светодиодов автомобильного класса продемонстрировало повышенную надежность и широкий температурный диапазон, значительно превосходящий возможности опто-пар на основе светодиодов потребительского класса. Предназначенная для автомобильного применения деталь Avago производится в соответствии с системой качества ISO / TS16949 и соответствует спецификациям AEC-Q100.
Рис. 7. Для устройств R2Coupler автомобильного уровня, таких как опто-пара ACPL-M43T, Avago усиливает критически важные функциональные площадки с помощью двойных проводов (показано в выделенной области). (С разрешения Avago Technologies)
Устройство хорошо соответствует требованиям к аккумуляторной батарее Chevy Volt со спецификациями, которые включают постоянное рабочее напряжение 567 В, максимальное переходное перенапряжение 6000 В, путь утечки 5 мм и зазор 5 мм. Устройство отличается устойчивостью к синфазным переходным процессам 30 кВ / мкс для высокого или низкого логического уровня на выходе при прямом входном токе 10 мА, что снижает вероятность того, что переходные процессы от других автомобильных подсистем могут попасть в сеть передачи CAN.
Скорость передачи данных устройства в 1 Мбод более чем достаточна для такой конструкции. Кроме того, устройство имеет выход с открытым коллектором, что позволяет инженерам настраивать скорость нарастания выходного сигнала для уменьшения электромагнитных излучений, которые могут возникать в результате быстрого переключения в компонентах ниже по потоку, включая трансиверы CAN, несмотря на относительно низкие EMI, присущие протоколу физической передачи CAN. .
В печатной плате модуля интерфейса батареи устройства M43T располагаются на краю секции связи, изолируя ее от подсистем измерения высокого напряжения, которые дополнительно экранированы заземляющими поверхностями в более глубоких слоях печатной платы. Интерфейс изоляции обеспечивает три отдельных оптопары M43T для каждой из трех линий, выведенных из каждой цепи считывания, в частности, выходной контакт Freescale S9S08DZ32 CAN Tx, входной контакт CAN Rx MCU и сигнал неисправности высокого напряжения от MCU. Выходной сигнал с вывода CAN Tx MCU, например, проходит через экранированный сигнальный слой на печатной плате, чтобы достичь анода вывода 1 устройства M43T для подачи питания на встроенный светодиод, что приводит к изменению состояния на выводе 5Vo (рисунок 8). Изолированный сигнал затем передается на выходной каскад связи модуля интерфейса батареи.
Рис. 8. Оптопары Avago ACPL-M43T изолируют сигналы между MCU Freescale S9S08DZ32 и CAN-трансивером Infineon. (С разрешения Avago Technologies)
Физическая сигнализация
CAN Находясь в конце цепочки коммуникационных сигналов, приемопередатчик CAN Infineon TLE6250G представляет собой сертифицированную AEC ИС, которая обеспечивает передачу сигналов на физическом уровне CAN между физическим кабелем и обработчиком протокола CAN - здесь, MCU S9S08DZ32 (через изоляцию опто-пары) . Устройство, рассчитанное на скорость передачи CAN 1 Мбод, выполняет преобразование сигналов CAN_H и CAN_L на проводе дифференциального сигнала и доминирующих и рецессивных битов CAN, передаваемых и принимаемых S9S08DZ32.
Восьми контактный TLE6250G включает выводы Tx, Rx, Vcc, GND, CAN_H и CAN_L, а также два вывода управления режимом: INH и RM. Когда TLE6250G обнаруживает изменение на выводе Rx из рецессивного состояния CAN в доминирующее состояние, устройство переключает CAN_H на высокий уровень и CAN_L на низкий уровень (рисунок 9).
Это симметричное изменение состояния работает для уменьшения электромагнитных помех, поскольку электромагнитное излучение, вызванное повышением CAN_H, уравновешивается переходом в противоположном направлении CAN_L.
Рисунок 9. На физическом уровне CAN симметричное изменение CAN_H и CAN_L помогает снизить EMI. (С разрешения Infineon Technologies)
Устройство поддерживает три режима работы: нормальный, режим ожидания и только прием. Когда на выводе RM установлен низкий уровень, устройство работает в режиме только приема, что может быть полезно для диагностики. Когда на выводе INH установлен высокий уровень, устройство переходит в режим ожидания с низким энергопотреблением, который отключает функции передачи и приема.