Circuiti di controllo per pacchi batterie al litio

Semplice protezione, monitoraggio, o controllo avanzato con indicatore di carica.

Le batterie agli ioni di litio hanno un’alta densità di energia e una lunga durata; mancano anche dell’effetto memoria tipico di altre tecnologie. Tali caratteristiche le rendono ideali per i sistemi elettronici portatili. Ma le batterie agli ioni di litio devono anche funzionare entro specifici limiti per essere utilizzate in modo sicuro; è quindi necessario dotare le batterie di una serie di circuiti elettronici in grado di avvisare quando questi limiti stanno per essere raggiunti o superati.

L’elettronica della batteria monitora molteplici condizioni come tensione, corrente e temperatura, e come questi parametri cambiano nel tempo. I sensori debbono rilevare la combinazione di questi parametri per rispondere al sistema di gestione, sia che si tratti di inviare un segnale al sistema, di attivare un interruttore per impedire la carica o scarica, sia di aprire un fusibile. La Figura 1 mostra un esempio di come potrebbe essere configurata l’elettronica di controllo del pacco batterie.

Figura 1: Elettronica di controllo del pacco batterie.

 

Il tipo di elettronica varia in base al tipo di batteria. I pacchi batterie più semplici possono richiedere solamente una normale protezione, che va da una protezione di base da sovratensione a un sistema di controllo più avanzato che rileva la sottotensione o guasti dovuti alla temperatura o alla corrente. I circuiti di protezione possono anche visualizzare lo stato della batteria o indicare il livello di carica.

I più avanzati pacchi batterie che utilizzano molte celle richiedono un sistema completo di supervisione della batteria. Un siffatto monitor misura le singole tensioni delle celle, la corrente e la temperatura della batteria e riporta questi valori a un misuratore o un microcontrollore. Il sistema utilizza queste informazioni per regolare le prestazioni, ad esempio riducendo la corrente di funzionamento se la temperatura è troppo alta. I monitor di batteria possono fornire una funzione di bilanciamento delle celle per aumentare tempo e durata della batteria. I monitor possono anche sfruttare protezioni disponibili nei circuiti integrati (CI), ma con una configurabilità molto più elevata.

Un sistema avanzato che integra le funzionalità di un monitor batteria con un controller per fornire algoritmi di misurazione più sofisticati. I circuiti integrati di misurazione indicano la capacità residua della batteria, il tempo di funzionamento e lo stato di carica. Ovviamente gli algoritmi basati su software possono migliorare ulteriormente le protezioni. Gli indicatori spesso includono altre utili funzionalità come l’opzione black-box che aiuta a diagnosticare i pacchi batteria non funzionanti sul campo, la registrazione dei dati relativi alle condizioni minime e massime dei parametri durante tutto il ciclo di vita, il controllo dinamico del caricabatterie o l’autenticazione delle batterie sicure.

La Figura 2 in basso illustra alcune delle principali differenze tra i vari tipi di circuiti di gestione elettronica della batteria.

Figura 2: differenze di funzionalità tra protezioni, monitor e indicatori di carica.

 

Quali sono le caratteristiche più importanti nella scelta della batteria ottimale per il tuo sistema?

Quando si valutano i pro e i contro di ciascun circuito di controllo della batteria, è importante considerare le seguenti caratteristiche del sistema:

• I circuiti di protezione offrono la minima complessità per i progetti più semplici.
• I monitor offrono la massima flessibilità con la possibilità di scrivere codice specifico, importante quando tali esigenze sono uniche.
• I circuiti integrati di misurazione offrono il massimo livello di integrazione. Offrono informazioni dettagliate sullo stato di carica e tempi di sviluppo più rapidi, poiché è incluso il firmware, anche se ciò, in alcuni casi potrebbe andare a scapito della flessibilità.

La Figura 3 mostra una soluzione di esempio che utilizza il monitor di batteria BQ769x0. La famiglia include dispositivi per cinque, 10 e 15 celle (BQ76920, BQ76930 e BQ76940). È possibile utilizzare lo stesso software controller per qualsiasi dispositivo della famiglia, consentendo la flessibilità per i sistemi di passare da tre a 15 celle in serie. Il monitor misura continuamente tensione, temperatura e corrente delle celle attraverso il resistore di rilevamento e riporta queste informazioni al microcontrollore. Fornisce più protezioni hardware configurabili e aprirà i FET di carica e scarica in base alle necessità e per rispondere alle condizioni di guasto. Il microcontrollore può prendere decisioni in base alle informazioni fornite dal monitor – può anche abilitare / disabilitare i FET, controllare il bilanciamento delle celle e persino eseguire alcune misurazioni della carica basate sui dati di tensione, corrente e temperatura.

Figura 3: Esempio di soluzione di monitoraggio della batteria con BQ769x0 e con un microcontrollore.

 

La Figura 4 offre un esempio di un sistema di controllo per pacchi batterie leggermente più avanzato. Si tratta della stessa famiglia di monitor che però in questo caso funziona con un controller BQ78350-R1. Questo dispositivo è dotato di firmware progettato per funzionare direttamente con il monitor digitale BQ7620, BQ76930 o BQ76940, contribuendo ad accelerare lo sviluppo del prodotto. Il BQ78350-R1 esegue anche la misurazione della quantità di carica, la reportistica sullo stato di salute e include molte altre funzionalità comunemente incluse negli indicatori di carica di Texas Instruments, come la registrazione dei dati durante l’intera vita della batteria e la registrazione protetta in una black-box.

Figura 4: Circuito di controllo avanzato con il dispositivo BQ769x0, il controller con misuratore di carica BQ78350-R1, il drivet FET high-side BQ76200 e il circuito di protezione secondario BQ7718.

Molti sistemi richiedono la ridondanza per quanto riguarda la protezione da sovratensione. Questo circuito impiega la protezione da sovratensione impilabile BQ7718, che può aprire direttamente un fusibile in caso di problemi alla protezione primaria.

Alcuni sistemi potrebbero richiedere l’uso di FET high-side. I FET high-side consentono la comunicazione continua al pacco batterie indipendentemente dal fatto che siano accesi o spenti. Ciò significa che il sistema può leggere i parametri della cella in avaria nonostante il guasto e verificare le condizioni della cella prima di abilitare nuovamente il sistema. Il driver FET canale N lato alto BQ76200 funziona bene con i monitor BQ76920, BQ76930 e BQ76940 in sistemi che richiedono, appunto, FET lato alto.

Ci sono molte cose da considerare quando si progettano sistemi con batterie agli ioni di litio relative alla sicurezza ed alle prestazioni. A seconda delle esigenze del sistema, è possibile selezionare il circuito di controllo più adatto all’applicazione: semplice protezione, monitoraggio della batteria o controllo completo, compreso il livello di carica.

Ai seguenti link, ulteriori informazioni sui circuiti di protezione della batteria, sui circuiti di monitor, e sui sistemi avanzati con indicatore di carica di Texas Instruments.