Il battery monitor a bassa tensione si fa strada nei veicoli elettrici ad alta tensione

Di Christopher Gobok, Product Marketing and Operations Manager

Mobilità Elettrica

Se non siete già alla guida di veicolo elettrico (EV), che sia un ibrido elettrico (HEV), un ibrido plug-in (PHEV), oppure completamente elettrico, probabilmente lo sarete presto. L’ansia da autonomia è diventata un ricordo del passato. Ora potete contribuire a preservare l’ambiente senza preoccuparvi di restare a piedi. I governi di tutto il mondo offrono incentivi finanziari per compensare i prezzi dei veicoli elettrici, sperando di disincentivare l’acquisto di veicoli con motore a combustione interna (ICE). Alcuni governi hanno imposto alle case automobilistiche di costruire e vendere veicoli elettrici, sperando che alla fine il mercato ne sarà dominato, mentre altri hanno tracciato una linea più netta: la Germania, per esempio, sta già spingendo per vietare i veicoli ICE entro il 2030.

Per gran parte della storia dell’automobile, l’innovazione si è concentrata sul miglioramento dell’efficienza dei motori e la riduzione del consumo di carburante, sulla diminuzione delle emissioni e sulla fornitura di una confortevole esperienza d’uso. Tuttavia, la stragrande maggioranza delle recenti innovazioni nelle automobili endotermiche è il risultato diretto dei progressi nell’elettronica, miglioramenti della telaistica, della cinematica, dei sistemi autonomi e avanzati di assistenza alla guida (ADAS), dell’infotainment e dei sistemi di sicurezza. I veicoli elettrici sono dotati in gran parte degli stessi sistemi elettronici dei veicoli endotermici, oltre, naturalmente, alla catena cinematica stessa. Secondo Micron Technology, la parte elettronica di un EV è pari al 75% del suo valore, proporzione che aumenta man mano che i progressi nella tecnologia dei semiconduttori continuano ridurre il costo dei vari moduli elettronici e sottosistemi. Anche player che non hanno una grande tradizione del settore automotive, come Intel®, vogliono entrare in gioco.

Non sorprende che, tra tutti i sottosistemi elettronici di un veicolo elettrico, sia i produttori che i consumatori si concentrino allo stesso modo sul cuore dell’EV: le batterie. Il sistema di batterie comprende la batteria ricaricabile stessa, di cui la categoria ioni di litio (Li-Ion) rappresenta lo standard attuale, e il sistema di gestione delle batterie (BMS), che ne massimizza l’uso e la sicurezza. Le soluzioni BMS di Analog Devices rappresentano lo standard per il monitoraggio. Il monitor del pacco batteria EV LTC2949 di ADI è l’ultima novità di un ampio portfolio di circuiti integrati BMS intelligenti, che stanno potenziando i progetti BMS per veicoli elettrici di prossima generazione.

Monitoraggio BMS

La funzione principale di un BMS è quella di monitorare lo stato di una batteria o, nel caso dei veicoli elettrici, del pacco completo o di una singola pila di batterie. Un BMS generalmente monitora le tensioni, le correnti, le temperature, lo stato di carica (SOC), lo stato di salute (SOH) e altre funzioni correlate, come il flusso del refrigerante. Oltre agli evidenti vantaggi in termini di sicurezza e prestazioni offerti dal BMS, il monitoraggio accurato di questi parametri si traduce generalmente in una migliore esperienza di guida, dove i conducenti sono informati in tempo reale sulle condizioni delle batterie.

Per essere efficaci, i circuiti di misura del BMS, come il nuovo pack monitor LTC2949, devono essere precisi e veloci, avere un’elevata reiezione della tensione di modo comune, consumare poca energia e comunicare in modo sicuro con altri dispositivi. Altre mansioni del BMS EV includono il recupero dell’energia nel pacco batterie (cioè la frenata rigenerativa), il bilanciamento delle celle, la protezione del pacco batterie da livelli pericolosi di tensione, corrente e temperatura e la comunicazione con altri sottosistemi (ad esempio, caricabatterie, carichi associati, gestione termica e spegnimento di emergenza).

Molteplici topologie di monitoraggio BMS vengono utilizzate dai produttori di auto per soddisfare le loro esigenze di precisione, affidabilità, facilità di produzione, costi e requisiti di alimentazione. Ad esempio, la topologia distribuita mostrata in Figura 1 enfatizza l’alta precisione con intelligenza locale, l’elevata producibilità con pacchi batteria collegati in serie, il minimo consumo energetico e l’alta affidabilità attraverso interfacce SPI e isoSPI™ a bassa potenza per le comunicazioni tra dispositivi.

Nella figura mostrata, il LTC2949 è utilizzato in una configurazione di current sensing low-side, dove le linee di comunicazione isoSPI sono parallele al monitor della batteria del LTC6811-1 inferiore. Per una maggiore affidabilità, è possibile realizzare un doppio schema di comunicazione collegando un secondo transceiver isoSPI alla parte superiore della pila di batterie e creando una topologia ad anello in grado di comunicare in entrambe le direzioni. La comunicazione isolata con il controller master SPI è implementata tramite un convertitore di segnale isoSPI-to-SPI LTC6820. La famiglia LTC681x di monitor per batterie multicella impilabili di Analog Devices può essere utilizzata per misurare tensioni individuali fino a 6, 12, 15 o 18 celle della batteria collegate in serie, mentre un singolo LTC2949 viene utilizzato per misurare i parametri del pacco batterie completo. Insieme, LTC681x e LTC2949 formano una soluzione completa di monitoraggio EV BMS componendo il cosidetto front-end analogico (AFE) del BMS.

Il LTC2949 è un misuratore di corrente, tensione, temperatura, carica, potenza ed energia ad alta precisione, progettato specificamente per i veicoli elettrici. Misurando questi parametri chiave, i progettisti di sistema hanno gli elementi essenziali per calcolare in tempo reale SOC e SOH, oltre ad altri valori di merito, per l’intero pacco batterie. La Figura 2 mostra uno schema a blocchi dell’LTC2949 utilizzato in una configurazione di rilevamento di alta corrente. In questo caso, LTC2949 utilizza una topologia flottante regolabile, che gli permette di monitorare un pacco batterie ad altissima tensione, senza essere vincolato dalla propria tensione nominale di 14,5 V. L’alimentazione del LTC2949 viene fornita tramite un convertitore flyback isolato LT8301 con VCC collegato al terminale positivo della batteria.

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Soluzioni d’avanguardia con Analog Devices

Se i conducenti potranno apprezzare gli output digitali e la precisione del LTC2949, i progettisti di sistema apprezzeranno le prestazioni analogiche del LTC2949 e la sua perfetta integrazione praticamente in qualsiasi BMS EV. Al centro del LTC2949 ci sono cinque ADC sigma-delta (Σ-Δ), rail to rail, a basso offset, per garantire misure di tensione accurate. Dei cinque ADC, sono disponibili due ADC a 20 bit per misurare le tensioni su due resistori di rilevamento (come mostrato nella Figura 2) e ricavare il valore del flusso di corrente attraverso due rail separati con un’impressionante precisione dello 0,3%: meno di 1 µV di offset, LTC2949 offre anche una gamma dinamica eccezionalmente elevata. Allo stesso modo, la tensione totale del pacco batterie viene misurata con un massimo di 18 bit e con una precisione dello 0,4%. Due ADC di potenza dedicati rilevano gli ingressi di tensione dello shunt e del pacco batterie, ottenendo letture di potenza accurate con una precisione dello 0,9%. L’ultimo ADC a 15 bit può essere utilizzato per misurare fino a 12 tensioni ausiliarie, per l’utilizzo con sensori di temperatura esterni o partitori resistivi. Utilizzando un mux integrato, LTC2949 può eseguire misure di tensione differenziali rail to rail tra qualsiasi coppia dei 12 ingressi bufferizzati con una precisione dello 0,4%.

Per semplificare la configurazione, i cinque ADC del LTC2949 formano tre canali di acquisizione dati. Ogni canale può essere configurato per una delle due velocità, a seconda dell’applicazione, come mostrato nella Tabella 1. Per esempio, due canali possono essere utilizzati per monitorare un singolo resistore shunt: un canale lento (100 ms) per misure di corrente, potenza, carica ed energia ad alta precisione; l’altro istantaneo e rapido (782 μs) per misure di corrente, sincronizzate con le misure di tensione del pacco batterie per il tracciamento dell’impedenza o misure di precarica. In alternativa, due resistenze shunt di dimensioni diverse monitorate da due canali separati (anche in questo caso, come mostrato in Figura 2) permettono agli utenti di bilanciare la precisione e la perdita di potenza per ogni shunt. Nel frattempo, il terzo canale ausiliario può eseguire sia misure rapide di ingressi buffer selezionabili che misure auto-round-robin (RR) di due ingressi configurabili, tensione di pacco batterie, temperatura del die, tensione di alimentazione e tensione di riferimento.

Tabella 1. Opzioni di configurazione per i tre canali di acquisizione dati dell’LTC2949

Canale	Configurazione
	Single Shunt	Dual Shunt
1	Lenta	Lenta	Rapida
2	Rapida	Rapida	Rapida
AUX	RR/rapida	RR/rapida	RR/rapida

Quando uno dei tre canali di acquisizione dati del LTC2949 è configurato per la modalità rapida (tempo di conversione di 782 μs e risoluzione a 15 bit), LTC2949 può sincronizzare le misure di tensione e corrente del pacco batterie con le misure di tensione delle celle batteria di qualsiasi monitor multicella LTC681x per dedurre l’impedenza delle singole celle, l’età e il SOH. Con queste informazioni, è possibile valutare la durata del pacco batterie, poiché la cella più debole determina in definitiva il SOH dell’intero pacco.

Poiché il SOH è un punto nel ciclo di vita di una batteria (o di un pacco batterie) e una misura delle sue condizioni rispetto ad una batteria nuova, è importante utilizzare monitor BMS EV accurati per massimizzare non solo l’autonomia, ma anche per ridurre al minimo i guasti imprevisti della batteria. Parlando della durata della batteria, LTC2949 consuma solo 16 mA quando è acceso e solo 8 µA quando è in standby.

Dominio digitale

Le caratteristiche digitali del LTC2949 includono un moltiplicatore di sovracampionamento e accumulatori, che generano i valori di potenza a 18 bit, e i valori di energia e carica a 48 bit, riportando i valori minimi e massimi, oltre ad avvisi basati su limiti definiti dall’utente. Questo permette di alleggerire il controller BMS e il bus dal compito di interrogare continuamente il LTC2949 per rilevare i dati di tensione e corrente e dalla funzione aggiuntiva di eseguire calcoli basati sui risultati. Prelevando campioni di potenza alla frequenza di clock ADC del sovracampionamento (filtro di predecimazione) invece di moltiplicare i valori medi, LTC2949 misura accuratamente la potenza in presenza di variazioni di corrente e tensione ben oltre la sua velocità di conversione, con segnali fino a 50 kHz.

Poiché il LTC2949 tiene traccia dei valori minimi e massimi dei dati di corrente, tensione, potenza e temperatura, il bus e l’host possono dedicare cicli di clock ad altre attività, invece di interrogarlo continuamente. Oltre a rilevare e memorizzare i valori minimo e massimo, LTC2949 può emettere un avviso in caso di superamento di qualsiasi soglia definita dall’utente, liberando il controllore host e il bus dai compiti di richiesta dati. Il LTC2949 può anche generare un allarme di overflow dopo che è stata erogata una determinata quantità di energia o di carica, o quando è trascorso un periodo di tempo prestabilito.

Per garantire l’accuratezza del monitoraggio, LTC2949 fornisce fattori di correzione del guadagno programmabili per compensare le tolleranze dei componenti di misura: due per le resistenze shunt, un partitore di tensione della batteria e quattro ingressi multiplexati. Questi fattori di correzione possono essere memorizzati in una EEPROM esterna per consentire un approccio modulare alla calibrazione di fabbrica dei pacchi batteria. Inoltre, LTC2949 può linearizzare le letture di temperatura di un massimo di due termistori NTC esterni risolvendo le equazioni di Steinhart-Hart con coefficienti programmabili; queste letture possono poi essere usate per compensare automaticamente le letture dai resistori shunt. Compensando continuamente sia la tolleranza che gli effetti della temperatura, non solo viene migliorata l’accuratezza del monitoraggio, ma possono essere utilizzati componenti esterni a basso costo.

Nel LTC2949 è presente un’interfaccia standard SPI per la connessione diretta MCU e l’interfaccia proprietaria isoSPI di ADI. L’isoSPI è un adattamento del livello fisico a livello di chip standard del SPI che libera tutto il potenziale delle architetture a pacchetti distribuiti e a basso costo. Progettato per sistemi ad alta tensione e ad alto rumore, l’isoSPI fornisce un trasferimento di informazioni sicuro e robusto fino a 1 Mbps attraverso cavi di lunghezza massima pari a 100 metri, utilizzando solo un singolo cavo a doppino intrecciato e un semplice trasformatore d’impulsi. L’isoSPI è anche meno costoso di altre soluzioni di isolamento integrate. La Figura 3 mostra come LTC2949 sfrutti l’isoSPI, insieme al LTC6811-1, come ultimo elemento in una daisy chain o in una configurazione parallela indirizzabile.

Conclusione

Passando attraverso un recente periodo di flessione fino ad arrivare alle attuali richieste, i veicoli elettrici stanno diventando sempre più popolari. Per rimanere competitivi, i progettisti di sistemi devono tenere d’occhio sia le batterie che le tecnologie BMS, che influenzano profondamente l’esperienza dell’utente finale. L’ultima incursione del LTC2949-ADI nell’ambito del monitoraggio BMS risolve facilmente diverse topologie e configurazioni di monitoraggio di più pacchi batteria. Praticamente a qualsiasi tensione e a qualsiasi livello di corrente, il LTC2949 consente sistemi di gestione delle batterie ad alte prestazioni, sicuri, flessibili e affidabili. Valutazioni accurate di SOH e SOC della batteria sono immediatamente disponibili tramite letture accurate di corrente, tensione, potenza, energia, carica, temperatura e tempo. La capacità analogica del LTC2949 si unisce a un’elaborazione ad alta velocità delle uscite digitali utilizzabili. I valori minimi e massimi e gli avvisi principali possono essere misurati, calcolati e segnalati al LTC2949 tramite un’interfaccia isoSPI indistruttibile. Ciò riduce i requisiti per le risorse host, la progettazione e il test del bus, oltre che della progettazione del software. Alcune delle caratteristiche digitali includono un multiplier, un accumulatore, registri min/max, allarmi configurabili e compensazione esterna della tolleranza dei componenti esterni e della temperatura. Progettato per funzionare in modo indipendente o con qualsiasi monitor di batteria multicellulare

LTC681x, LTC2949 risponde a un’esigenza cruciale per il BMS EV di nuova generazione, pur rispettando le severe linee guida AEC-Q100 e gli standard di sicurezza ISO 26262.

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