Come ottimizzare il progetto di una scatola di derivazione per Veicoli Elettrici

Un nuovo circuito integrato con isolamento capacitivo per l’acquisizione dei dati in daisy-chain nei veicoli elettrici consente di ottimizzare la scatola di derivazione sincronizzando le misure di tensione delle celle batteria con le misure di temperatura.

I veicoli elettrici (EV) sono alimentati da pacchi batterie di grandi dimensioni (Figura 1), composti da un elevato numero di elementi collegati in serie per raggiungere tensioni operative superiori a 800V, con una corrente media di 40A. La tensione di ciascuna cella è monitorata da appositi moduli di controllo e, se necessario, degli opportuni algoritmi di controllo sono applicati per mantenere le differenze di tensione tra le celle entro ristretti valori di tolleranza. La scatola di derivazione controlla i collegamenti di alta tensione per il sistema di ricarica, l’inverter/motore e il pacco batterie. I collegamenti di alta tensione, le correnti e la resistenza di isolamento sono misurati all’interno di questo modulo e inviati alla ECU principale per il calcolo della potenza e del SOC (State Of Charge), per il monitoraggio dello stato del veicolo e per garantire la massima sicurezza durante le diverse condizioni operative.

Figura 1. Pacco batterie e cablaggi di un EV

Nella soluzione di progetto proposta, verrà analizzata la struttura di un tipico sistema di batterie EV e della relativa scatola di derivazione. Verrà successivamente introdotto il progetto di una nuova scatola di derivazione, maggiormente integrata nel sistema e in grado di fornire misure allineate temporalmente con il resto del sistema.

Architettura del Sistema Distribuito di Batterie

In Figura 2 è visibile un tipico sistema di batterie distribuite. Alla sinistra del pacco batterie sono visibili otto moduli di supervisione (N=8) montati sulla scheda di alta tensione, ciascuno in grado di controllare 14 righe (K=14) di celle in serie, con ciascuna riga composta da 70 batterie in parallelo (un gruppo di batterie 7840 Li+). Un opportuno isolamento è richiesto tra il microprocessore e il primo modulo, come anche tra ogni modulo e il successivo. Le informazioni sono successivamente trasferite al microcontrollore presente sulla scheda di bassa tensione.

A destra del pacco batterie, la scatola di derivazione misura sei punti di tensione critici (i contattori X e l’isolamento ISO_RES), mentre un sensore Hall misura la corrente. Le informazioni acquisite sono successivamente inviate a un secondo microprocessore.

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Il monitoraggio delle tensioni sui contattori è importante per controllare lo stato di salute delle batterie, sia quando i contattori sono chiusi, sia quando essi sono aperti. Questa operazione è fondamentale dal punto di vista della sicurezza, in quanto permette di sapere quando i contattori si trovano nello stato corretto.

Figura 2. Tipica Architettura del Sistema

Architettura di Sistema Ottimizzata

Nell’implementazione ottimizzata visibile in Figura 3, dei condensatori di blocco (oppure dei trasformatori) sono utilizzati per isolare i dispositivi in cascata che operano con differenti tensioni di modo comune. Dei condensatori economici possono essere utilizzati nel collegamento in daisy chain tra i moduli, con una conseguente riduzione dei costi. Inoltre, il daisy chain può essere facilmente esteso in modo tale da includere il circuito integrato di acquisizione dati della scatola di derivazione, eliminando la necessità di un microprocessore locale e consentendo la sincronizzazione temporale tra le misure eseguite sulla scatola di derivazione e quelle sui moduli della batteria. La sincronizzazione temporale è importante in quanto offre una migliore correlazione per la gestione della potenza e per l’esecuzione dei relativi calcoli. Infine, il circuito integrato di acquisizione dati ad alta tensione della scatola di derivazione offre una funzionalità di misura della corrente flessibile che permette di utilizzare sia una resistenza di shunt (RSHUNT in Figura 3), sia un sensore di corrente basato sull’effetto Hall, oppure entrambi (per ragioni di ridondanza).

Figura 3. Architettura di Sistema Ottimizzata

Acquisizione Dati ad Alta Tensione con Misura della Corrente

Come esempio, si consideri il MAX17852, un sistema di acquisizione dati per la gestione di moduli batterie ad alta e bassa tensione. Il sistema è in grado di misurare in 263μs la tensione di 14 celle (oppure sette nodi ad alta tensione con riferimento a terra), una corrente e una combinazione di quattro temperature o tensioni. Il dispositivo è anche in grado di verificare lo stato di tutti gli ingressi in 156μs utilizzando esclusivamente il circuito di misura basato sull’ADC SAR.

Questo sensore per batterie ad elevata integrazione incorpora un bus UART differenziale ad elevata velocità per una robusta comunicazione seriale in daisy-chain, progettato per ottenere la massima immunità al rumore. Fino a 32 dispositivi possono essere collegati in cascata. Il collegamento in daisy chain assicura l’allineamento temporale tra le misure eseguite sulla scatola di derivazione e quelle sulla batteria. Ne consegue che tutte le misure relative a tensione della cella, barra del bus, tensione e corrente del pacco batterie, tensioni sui contattori e temperature risultano allineate entro un intervallo di 10µs.

Il sistema utilizza i protocolli di gestione della batteria UART o SPI di Maxim, in grado di assicurare una robusta comunicazione, e supporta un’interfaccia I2C master per il controllo di dispositivi esterni. Il componente è ottimizzato per supportare un insieme ridotto di funzionalità diagnostiche e un sistema di comunicazione rapida sia attraverso l’interfaccia di comunicazione integrata, sia attraverso un’interfaccia hardware conforme ai requisiti ASIL D e FMEA.

Misura dell’Isolamento Elettrico della Batteria

Il Dipartimento dei Trasporti (TP-305-01) prescrive per questa misura una resistenza (in ohm) pari a circa 500 volte la tensione operativa nominale del veicolo (in volt) del SAE 1766, collocata tra il terminale negativo (positivo) della batteria e il telaio del veicolo, tipicamente 200kΩ con tensione di 400V. Di conseguenza, la resistenza di isolamento RLEAK- (RLEAK+) tra il telaio e il terminale positivo (negativo) della batteria può essere misurata con il circuito visibile in Figura 4 e riportata come una tensione sul pin AUX del circuito integrato di acquisizione dei dati.

Figura 4. Misura della Resistenza di Isolamento della Batteria

Basandosi sulla rete di Figura 4, l’equazione per VAUX nel caso RLEAK- diventa:

Da cui:

Dove:

Il grafico sottostante riporta le curve sia per RLEAK+ sia per RLEAK-, mostrando come la resistenza di isolamento da 200kΩ RLEAK- produca una tensione misurata VAUX di 2,18V, mentre una resistenza di isolamento da 200kΩ RLEAK+ produca una tensione misurata di 1,08V.

Figura 5. Curva di Resistenza all’Isolamento

Conclusioni

I veicoli elettrici devono gestire tensioni e correnti elevate. La resistenza di contatto dei collegamenti elettrici, le correnti e la resistenza di isolamento tra le schede di alta e bassa tensione devono essere monitorate in modo tale da garantire un funzionamento sicuro. Abbiamo analizzato la struttura di un tipico sistema per veicolo elettrico con batteria e scatola di derivazione, evidenziandone la complessità. Successivamente, abbiamo introdotto un nuovo e unico circuito integrato di acquisizione dati in grado di eliminare la necessità di un microprocessore dedicato per la scatola di derivazione, grazie al suo basso rumore, costo ridotto, isolamento capacitivo e sistema di comunicazione in daisy-chain. Il dispositivo consente inoltre la sincronizzazione temporale tra le misure di tensione eseguite sulla scatola di derivazione e sulle singole celle. Il sistema integrato di misura della corrente elimina la necessità di un sensore di corrente a effetto Hall. L’architettura con SAR ADC veloce consente infine di eseguire misure multiple in una quantità di tempo minima.

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