Xe điện cao áp dùng màn hình điện áp pin thấp 

Christopher Gobok, giám đốc quảng cáo và tiếp thị sản phẩm

EV Movers

Nếu bạn chưa lái xe điện (EV) — xe điện ngắn hạn (HEV), xe hybrid cắm điện (PHEV) hoặc xe chạy hoàn toàn bằng điện — rất có thể bạn sẽ sớm tham gia. Bạn đừng lo lắng về phạm vi đã trở thành dĩ vãng. Bây giờ bạn có thể giúp xã hội bảo vệ môi trường mà không lo bị mắc kẹt trong đó. Chính phủ trên khắp thế giới sẽ hào phóng cung cấp các gói ưu đãi tài chính để bù đắp giá cao hơn của xe điện, với hy vọng sẽ giúp bạn tránh mua xe động cơ đốt trong (ICE). Một số chính phủ đã thực hiện từng bước bắt buộc các nhà sản xuất ô tô xây dựng kế hoạch mới và bán xe điện, hy vọng thị trường cuối cùng sẽ được họ thống trị, trong khi những người khác đã vẽ ra một ranh giới rõ ràng hơn trên cát; Ví dụ, Đức đã thúc đẩy cấm các phương tiện ICE vào năm 2030.

Trong phần lớn lịch sử của ngành ô tô, sự đổi mới đã tập trung vào việc cải thiện hiệu quả đốt cháy nhiên liệu của ICE, làm sạch khí thải đồng thời mang lại trải nghiệm thoải mái cho người dùng. Tuy nhiên, phần lớn những đổi mới gần đây trong ô tô ICE là kết quả trực tiếp của những tiến bộ trong lĩnh vực điện tử — những cải tiến trong hệ thống khung gầm, tàu điện, hệ thống hỗ trợ lái xe tự động và tiên tiến (ADAS), hệ thống thông tin giải trí và an toàn. Xe điện có nhiều hệ thống điện tử tương tự như xe ICE, và tất nhiên, bản thân xe dẫn động. Theo Micron Technology, phần điện tử trong giá trị của EV là 75%, với phần đó tăng lên khi những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn tiếp tục làm giảm chi phí của các mô-đun điện tử và hệ thống con khác nhau. Ngay cả những người chơi ô tô phi truyền thống, chẳng hạn như Intel®, đang tìm kiếm một phần của hành động trong tương lai gần.

Không có gì đáng ngạc nhiên, trong số tất cả các hệ thống phụ điện tử trong EV, các nhà sản xuất và người tiêu dùng đều tập trung vào trung tâm của EV, đó là hệ thống pin. Hệ thống pin bao gồm toàn thân pin có thể sạc lại, lithium-ion (Li-Ion) là tiêu chuẩn hiện tại và hệ thống quản lý pin (BMS), giúp tối đa hóa việc sử dụng pin và an toàn. Các giải pháp BMS của Analog Devices là tiêu chuẩn để giám sát chúng. Màn hình gói pin ADI’s LTC2949 EV là sự bổ sung mới nhất cho danh mục đa dạng các IC BMS thông minh đang thúc đẩy các thiết kế EV BMS thế hệ tiếp theo.

Giám sát BMS

Chức năng chính của BMS là theo dõi trạng thái của pin hoặc trong trường hợp EV là một gói hoặc chồng pin rất lớn. BMS thường giám sát từng tế bào và điện áp, dòng điện, nhiệt độ, trạng thái sạc (SOC), trạng thái sức khỏe (SOH) và các chức năng liên quan khác, chẳng hạn như dòng nước làm mát. Ngoài những lợi ích rõ ràng về an toàn và hiệu suất mà BMS mang lại, việc theo dõi chính xác các thông số này thường mang lại trải nghiệm lái xe tốt hơn, nơi người lái xe được thông báo đầy đủ về tình trạng pin theo thời gian thực.

Để có hiệu quả, các mạch đo BMS, chẳng hạn như màn hình gói LTC2949 mới, phải chính xác và nhanh chóng, loại bỏ điện áp chế độ chung cao, tiêu thụ điện năng thấp và giao tiếp an toàn với các thiết bị khác. Các trách nhiệm khác của EV BMS bao gồm khôi phục năng lượng trở lại ngăn xếp pin (nghĩa là phanh tái tạo), cân bằng tế bào, bảo vệ ngăn xếp pin khỏi các mức điện áp, dòng điện và nhiệt độ nguy hiểm và giao tiếp với các hệ thống phụ khác (ví dụ: bộ sạc, tải, quản lý nhiệt và tắt khẩn cấp).

Nhiều cấu trúc liên kết giám sát BMS được các nhà sản xuất ô tô sử dụng để đáp ứng nhu cầu của họ về độ chính xác, độ tin cậy, dễ sản xuất, chi phí và năng lượng. Ví dụ: cấu trúc liên kết phân tán được hiển thị trong Hình 1 nhấn mạnh độ chính xác cao với các thiết bị thông minh cục bộ, khả năng sản xuất cao với các bộ pin được kết nối và mức tiêu thụ điện năng tối thiểu và độ tin cậy cao thông qua giao diện SPI và isoSPI ™ công suất thấp cho giao tiếp liên IC.

Ở đây, LTC2949 được sử dụng trong cấu hình cảm biến dòng bên thấp, trong đó các đường giao tiếp isoSPI song song với màn hình pin LTC6811-1 phía dưới. Để nâng cao độ tin cậy, một sơ đồ giao tiếp kép có thể được thực hiện bằng cách kết nối bộ thu phát isoSPI thứ hai với đầu ngăn xếp pin và tạo ra một cấu trúc liên kết vòng có thể giao tiếp theo cả hai hướng. Giao tiếp biệt lập với bộ điều khiển chính SPI được thực hiện thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu LTC6820  isoSPI-to-SPI. Dòng màn hình pin đa pin LTC681x  có thể xếp chồng lên nhau của Analog Devices có thể được sử dụng để đo điện áp riêng lẻ của tối đa 6, 12, 15 hoặc 18 tế bào pin được kết nối loạt, trong khi một LTC2949 được sử dụng để đo tổng các thông số ngăn xếp. Cùng với LTC681x và LTC2949 tạo thành một giải pháp giám sát EV BMS toàn diện — đối với một số người, mạch này có thể được biết đến nhiều hơn với cái tên giao diện người dùng tương tự của BMS (AFE).

Hình 1. Cấu trúc liên kết giám sát EV BMS phân tán sử dụng LTC6811-1s và LTC2949.

LTC2949 là đồng hồ đo dòng điện, điện áp, nhiệt độ, điện tích, công suất và năng lượng có độ chính xác cao được thiết kế đặc biệt cho EV. Bằng cách đo lường các thông số quan trọng này, các nhà thiết kế hệ thống có các yếu tố cần thiết để tính toán SOC và SOH theo thời gian thực, cũng như các số liệu đánh giá khác, cho toàn bộ ngăn xếp pin. Hình 2 cho thấy sơ đồ khối của LTC2949 được sử dụng trong cấu hình cảm biến dòng điện phía cao. Ở đây, LTC2949 sử dụng cấu trúc liên kết nổi có thể điều chỉnh được, cho phép nó theo dõi đống pin điện áp rất cao, không bị kiểm soát bởi định mức điện áp 14,5 V của chính nó. Nguồn cho LTC2949 được cung cấp qua bộ chuyển đổi flyback cách ly LT8301 với VCC được kết nối với cực pin dương.

Trước tiên với Analog

Mặc dù trình điều khiển sẽ đánh giá cao độ chính xác và đầu ra kỹ thuật số của LTC2949, các nhà thiết kế hệ thống sẽ đánh giá cao hiệu suất tương tự của LTC2949 và sự tích hợp liền mạch của nó vào thực tế bất kỳ BMS EV nào. Cốt lõi của LTC2949 là năm bộ ADC từ đường sắt đến đường ray, độ lệch thấp, sigma-delta (Σ-Δ) để đảm bảo các phép đo điện áp chính xác. Trong số năm bộ ADC, hai bộ ADC 20 bit có sẵn để đo điện áp trên hai điện trở cảm nhận (như trong Hình 2) và suy ra dòng điện chạy qua hai đường ray riêng biệt với độ chính xác ấn tượng 0,3% và với độ lệch ít hơn 1 µV, LTC2949 cũng cung cấp dải động đặc biệt cao. Tương tự, tổng điện áp ngăn xếp pin được đo với tối đa là 18 bit và độ chính xác 0,4%. Hai bộ ADC nguồn chuyên dụng cảm nhận đầu vào điện áp ngăn xếp pin và shunt, mang lại kết quả đọc công suất chính xác 0,9%. Bộ ADC 15 bit cuối cùng có thể được sử dụng để đo lên đến 12 điện áp phụ — tiện dụng để sử dụng với cảm biến nhiệt độ bên ngoài hoặc bộ chia điện trở. Sử dụng một mux tích hợp, LTC2949 có thể thực hiện các phép đo điện áp đường ray khác biệt giữa bất kỳ cặp nào trong số 12 đầu vào được đệm với độ chính xác 0,4%.

Để đơn giản hóa việc thiết lập, năm ADC của LTC2949 tạo thành ba kênh thu thập dữ liệu. Mỗi kênh có thể được định cấu hình cho một trong hai tốc độ, tùy thuộc vào ứng dụng, như được hiển thị trong Bảng 1. Ví dụ, hai kênh có thể được sử dụng để giám sát một điện trở shunt: một kênh cho dòng điện chính xác cao chậm (100 ms), công suất, các phép đo điện tích và năng lượng; cái còn lại cho ảnh chụp nhanh (782 μs) của dòng điện, được đồng bộ hóa với phép đo điện áp ngăn xếp pin để theo dõi trở kháng hoặc phép đo sạc trước. Ngoài ra, hai điện trở shunt có kích thước khác nhau được giám sát bởi hai kênh riêng biệt (một lần nữa, như trong Hình 2) cho phép người dùng cân bằng độ chính xác và tổn thất điện năng cho mỗi shunt. Trong khi đó, kênh phụ trợ thứ ba có thể thực hiện các phép đo nhanh các đầu vào có bộ đệm có thể lựa chọn hoặc các phép đo tự động làm tròn (RR) của hai đầu vào có thể định cấu hình, điện áp ngăn xếp, nhiệt độ khuôn, điện áp nguồn và điện áp tham chiếu.

Bảng 1. Tuỳ chọn cấu hình cho ba kênh thu thập dữ liệu của LTC2949’s

Khi bất kỳ kênh thu thập dữ liệu nào trong ba kênh thu thập dữ liệu của LTC2949 được định cấu hình cho chế độ nhanh (thời gian chuyển đổi 782 μs và độ phân giải 15 bit), LTC2949 có thể đồng bộ hóa các phép đo dòng điện và điện áp ngăn xếp pin của nó với các phép đo điện áp tế bào từ bất kỳ màn hình pin đa ô LTC681x nào để suy ra từng trở kháng tế bào, tuổi và SOH. Với thông tin này, có thể đánh giá thời lượng pin của ngăn xếp, vì tế bào yếu nhất cuối cùng sẽ xác định SOH của toàn bộ ngăn xếp.

Vì SOH là một điểm trong vòng đời của pin (hoặc ngăn xếp pin) và là thước đo tình trạng của nó so với pin mới, điều quan trọng là sử dụng màn hình EV BMS chính xác để không chỉ tối đa hóa phạm vi lái xe mà còn giảm thiểu những thất bại của pin điều mà chúng ta không mong muốn. Nói về thời lượng pin, LTC2949 chỉ tiêu thụ 16 mA khi bật và chỉ 8 µA khi ở chế độ ngủ.

Thống trị kỹ thuật số

Các tính năng kỹ thuật số của LTC2949 bao gồm bộ tích lũy và hệ số lấy mẫu quá mức, tạo ra giá trị điện năng 18 bit và giá trị năng lượng và điện tích 48 bit — báo cáo mức tối thiểu và tối đa, cũng như cảnh báo dựa trên giới hạn do người dùng xác định. Điều này giải phóng bộ điều khiển BMS và bus khỏi nhiệm vụ liên tục thăm dò LTC2949 cho dữ liệu điện áp, dòng điện và nhiệm vụ bổ sung là thực hiện các phép tính dựa trên kết quả. Bằng cách lấy mẫu công suất ở tốc độ đồng hồ ADC mẫu quá mức (bộ lọc định trước) thay vì nhân các giá trị trung bình, LTC2949 đo chính xác công suất khi có các biến thể dòng điện và điện áp vượt xa tốc độ chuyển đổi của nó, với tín hiệu lên đến 50 kHz.

Hình 2. Kết nối điển hình của màn hình pin EV nổi LTC2949 ở cấu hình cảm nhận dòng điện cạnh cao.
Nguồn cho LTC2949 được cung cấp qua flyback LT8301 với VCC được kết nối với cực pin dương.

Vì LTC2949 theo dõi các giá trị tối thiểu và tối đa của dữ liệu dòng điện, điện áp, công suất và nhiệt độ, bus và máy chủ có thể dành chu kỳ đồng hồ cho các tác vụ khác, thay vì liên tục thăm dò LTC2949. Ngoài việc phát hiện và lưu trữ các giá trị tối thiểu và tối đa, LTC2949 có thể đưa ra cảnh báo nếu bất kỳ ngưỡng nào do người dùng xác định bị vượt quá — một lần nữa, giải phóng bộ điều khiển máy chủ và xe buýt khỏi nhiệm vụ thăm dò. LTC2949 cũng có thể tạo ra cảnh báo tràn sau khi đã phân phối một lượng năng lượng hoặc phí cụ thể hoặc thậm chí khi một khoảng thời gian đặt trước đã trôi qua.

Để đảm bảo độ chính xác của việc giám sát, LTC2949 cung cấp các hệ số hiệu chỉnh độ lợi có thể lập trình để bù cho dung sai của các thành phần đo lường: hai cho điện trở shunt, một bộ chia điện áp pin và bốn đầu vào ghép nối. Các yếu tố hiệu chỉnh này có thể được lưu trữ trong EEPROM bên ngoài để cho phép tiếp cận theo mô-đun để hiệu chuẩn tại nhà máy của các gói pin. Hơn nữa, LTC2949 có thể tuyến tính hóa số đọc nhiệt độ của tối đa hai nhiệt điện trở NTC bên ngoài bằng cách giải phương trình Steinhart-Hart với các hệ số có thể lập trình được, các số đọc này sau đó có thể được sử dụng để đọc điện trở shunt bù nhiệt độ tự động. Bằng cách liên tục bù đắp cho cả tác động của dung sai và nhiệt độ, không chỉ độ chính xác của việc giám sát được nâng cao mà còn có thể sử dụng các bộ phận bên ngoài có chi phí thấp hơn. 

Giao diện SPI tiêu chuẩn có trên LTC2949 để kết nối MCU trực tiếp. Giao diện isoSPI độc quyền của ADI cũng có mặt. isoSPI là sự thích ứng lớp vật lý của SPI cấp chip tiêu chuẩn, giải phóng toàn bộ tiềm năng của kiến ​​trúc gói phân tán hiệu quả về chi phí. Được thiết kế cho các hệ thống điện áp cao và nhiễu cao, isoSPI cung cấp khả năng truyền thông tin an toàn và mạnh mẽ lên đến 1 Mbps trên tối đa 100 mét cáp, chỉ sử dụng một cáp xoắn đôi và một biến áp xung đơn giản. isoSPI cũng ít tốn kém hơn so với các giải pháp cách ly trên bo mạch khác. Hình 3 cho thấy cách LTC2949 tận dụng isoSPI, cùng với LTC6811-1, làm phần tử cuối cùng trong chuỗi daisy hoặc trong một cấu hình song song có thể định địa chỉ.

Hình 3. Các cấu hình isoSPI của LTC2949.

Kết luận

EV đã trở thành xu hướng chủ đạo, dẫn đến một điểm uốn của việc áp dụng số lượng lớn. Để duy trì tính cạnh tranh, các nhà thiết kế hệ thống cần theo dõi chặt chẽ cả công nghệ pin và BMS, những thứ ảnh hưởng sâu sắc đến trải nghiệm của người dùng cuối. LTC2949 — bước đột phá mới nhất của ADI vào cuộc cạnh tranh giám sát BMS — dễ dàng giải quyết nhiều cấu hình và cấu trúc, cũng như cấu trúc liên kết giám sát ngăn xếp. Thực tế ở bất kỳ điện áp nào và bất kỳ mức dòng điện nào, LTC2949 cho phép hệ thống quản lý pin hiệu suất cao, an toàn, linh hoạt và đáng tin cậy. Các đánh giá chính xác về SOH và SOC của pin có sẵn ngay lập tức thông qua các kết quả chính xác về dòng điện, điện áp, công suất, năng lượng, điện tích, nhiệt độ và thời gian. Sức mạnh tương tự của LTC2949 được phù hợp với khả năng xử lý tốc độ cao của các đầu ra kỹ thuật số có thể sử dụng được. Các mức tối thiểu, tối đa và cảnh báo chính có thể được đo lường, tính toán và báo cáo cho LTC2949 qua giao diện isoSPI chống đạn. Điều này làm giảm yêu cầu về tài nguyên máy chủ lưu trữ, thiết kế và kiểm tra bus cũng như thiết kế phần mềm. Một số tính năng kỹ thuật số bao gồm hệ số nhân, bộ tích lũy, thanh ghi tối thiểu / tối đa, cảnh báo có thể cấu hình và bù nhiệt độ / dung sai thành phần bên ngoài. Được thiết kế để hoạt động độc lập hoặc với bất kỳ màn hình pin đa tuyến LTC681x nào, LTC2949 giải quyết nhu cầu quan trọng đối với EV BMS thế hệ tiếp theo đồng thời đáp ứng các nguyên tắc nghiêm ngặt của AEC-Q100 và tiêu chuẩn an toàn ISO 26262.

Giới thiệu về tác giả

Christopher Gobok là giám đốc điều hành và tiếp thị sản phẩm cho các sản phẩm quản lý hệ thống điện tại Analog Devices. Chris tốt nghiệp Đại học Bang San Jose với bằng B.S.E.E., M.S.E.E. và MBA. Kinh nghiệm trong ngành trước đây của anh ấy bao gồm làm việc như một PME với quang điện tử và MOSFET năng lượng. Mọi người có thể được liên lạc qua thư điện tử: christopher.gobok@analog.com.

Liên hệ: