Чтение RSS Все о РадиоЭлектроТехнике » РадиоЭлектроника » Технологии » Выравнивание параметров секций аккумулятора обеспечивает дополнительное время работы и увеличивает срок службы аккумуляторных батарей

Книги по радиоэлектронике

Новости партнеров

Малогабаритный частотомер с питанием от литиевого элемента
     Прототипом этого прибора послужил частотомер, описанный в статье И. Котова («Радио», 2008, № 2, с. 21, 22). Переделка свелась к замене батареи питания 6F22 литиевым ...
Microchip. Информацинный каталог. 2014
Название: Microchip. Информацинный каталог Год издания: 2014 Страниц: 88 Формат: djvu Размер: 17,34 MB Описание: Предлагаем вашему вниманию очередное издание информационного каталога ...
Microcontrollers From Assembly Language to C Using the PIC24 Family
Название: Microcontrollers From Assembly Language to C Using the PIC24 Family Автор: Robert Reese, J.W. Bruce, Bryan A. Jones Год издания: 2009 Страниц: 865 Формат: pdf Размер: 9,58 MB ...

Выравнивание параметров секций аккумулятора обеспечивает дополнительное время работы и увеличивает срок службы аккумуляторных батарей

 Опубликовано: 19-10-2014, 09:26  Комментариев: (0)


Общей проблемой для любых систем аккумуляторных батарей (АКБ) с последовательным соединением секций является разброс параметров секций. Выравнивание параметров секций представляет собой метод проектирования надёжных АКБ с увеличенным временем работы и сроком службы. Новейшие микросхемы от корпорации Texas Instruments (TI) для защиты АКБ и измерения уровня заряда, к которым относятся bq2084, семейство bq20zxx, bq77PL900 и bq78PL114, образуют обширный ряд изделий, используемых для выравнивания параметров секций АКБ.

Что такое разброс параметров секций?

При перегреве или перезаряде Li-ионные секции склонны к ускоренному ухудшению характеристик и могут вызывать пожар или взрыв. Для снижения вероятности этих опасностей используются аппаратные и программные меры защиты. В АКБ, состоящих из нескольких секций,часто используемых в переносных компьютерах и медицинском оборудовании, последовательное соединение секций приводит к возникновению вероятности разброса параметров секций и медленному, но устойчивому ухудшению параметров АКБ.

Не существует двух идентичных секций АКБ. Всегда имеются некоторые различия в уровне заряда (SOC), скорости саморазряда, ёмкости, полном сопротивлении и температурных характеристиках, даже в секциях одинаковой модели и от одного изготовителя, и даже из одной производственной партии. При построении многосекционных АКБ изготовители обычно отсортировывают по напряжению секции с одинаковым уровнем заряда. Однако различия в полном сопротивлении отдельных секций, в их ёмкости и скорости саморазряда по прошествии времени всё равно могут привести к разбросу напряжений. Поскольку большинство зарядных устройств определяют полный заряд по достижении всего ряда секций точки стабилизации напряжения, напряжения отдельных секций могут различаться, если они не превышают пределов защиты от перенапряжений (OV). При этом секции с худшими параметрами, то есть секции с пониженной ёмкостью или повышенным внутренним сопротивлением, склонны демонстрировать более высокое напряжение по сравнению с остальными последовательно включёнными секциями. Впоследствии параметры этих секций ещё более ухудшаются из-за постоянного перезаряда. Повышенное напряжение секций с ухудшенными параметрами по завершении заряда приводит к ускоренному снижению ёмкости.

С другой стороны, при разряде секции с ухудшенными параметрами склонны обеспечивать пониженное напряжение по сравнению с остальными секциями из-за повышенного внутреннего сопротивления или повышенной скорости разряда, возникающей от пониженной ёмкости. Это означает, что в случае достижения любой из таких ухудшенных секций порога защиты по низкому напряжению, даже если напряжение АКБ в целом достаточно для питания системы, полная ёмкость АКБ не будет использована.

Технология выравнивания параметров секций

Очевидно, что влияние разброса параметров секций на эксплуатационные характеристики и срок службы АКБ в устройствах, использующих последовательное соединение секций, крайне нежелательно. При выравнивании параметров секций выравниваются напряжения и уровни заряда отдельных полностью заряженных секций. Способы выравнивания параметров обычно подразделяются на две категории -пассивные и активные. Пассивный способ выравнивания параметров, также известный как «выравнивание разрядных сопротивлений», является простым и прямым: секции, нуждающиеся в выравнивании, разряжаются через рассеивающий энергию байпас (обходную цепь). Такой байпас может быть навесным или встроенным в микросхему. Данный способ предпочтителен в системах, имеющих низкую стоимость.





Тот факт, что 100% избыточной энергии от секций с высокой энергетикой рассеивается в виде тепла, делает пассивный способ менее предпочтительным для использования при разряде из-за очевидного отрицательного влияния на время работы АКБ. Активное выравнивание параметров секций, при котором используется ёмкостная или индуктивная передача заряда между секциями АКБ, значительно более эффективно, поскольку энергия не рассеивается, а передаётся туда, где она нужна. Естественно, что такое повышение эффективности требует применения дополнительных компонентов и более высоких затрат.

Пассивное выравнивание параметров секций

Простейший способ выравнивания параметров секций заключается в выравнивании их напряжений. Например, bq77PL900, устройство защиты АКБ, состоящих из 5-10 последовательно соединённых Li-ионных секций, используется в беспроводных электроинструментах, мопедах и скутерах с электроприводом, источниках бесперебойного электропитания и медицинском оборудовании. bq77PL900 может работать как автономная система защиты АКБ (рисунок 1), сравнивая напряжения секций с заранее запрограммированными порогами для определения необходимости выравнивания параметров. Принцип работы показан на рисунке 2. Если отдельная секция достигает порога, зарядка прекращается и подключается встроенный байпас. Зарядка прекращается до тех пор, пока секция с более высоким напряжением не достигнет порога восстановления, после чего выравнивание прекращается.

Работа bq77PL900 в качестве автономного устройства защиты АКБ

Рисунок 1. Работа bq77PL900 в качестве автономного устройства защиты АКБ

Простое пассивное выравнивание параметров секций исходя из напряжения

Рисунок 2. Простое пассивное выравнивание параметров секций исходя из напряжения

Алгоритм выравнивания параметров, использующий в качестве критерия выравнивания только разброс по напряжению, имеет недостаток, заключающийся в возможности избыточного или недостаточного выравнивания из-за разброса полных сопротивлений секций (рисунок 3). Проблема заключается в том, что полное сопротивление секции также влияет на разброс напряжений при зарядке. Устройство защиты, использующее метод выравнивания по напряжениям, не может помочь, если разброс напряжений вызван разбросом ёмкостей или полных сопротивлений. Таким образом, подобный способ выравнивания не может гарантировать, что все секции при полном заряде достигнут 100% ёмкости.

Простое выравнивание параметров секций на основе напряжения может быть недостаточно эффективным при выравнивании ёмкостей

Рисунок 3. Простое выравнивание параметров секций на основе напряжения может быть недостаточно эффективным при выравнивании ёмкостей

bq2084 представляет собой измеритель уровня заряда с улучшенной версией выравнивания на основе напряжений. Для минимизации влияния разброса полных сопротивлений секций bq2084 выполняет выравнивание только в конце зарядки, когда ток уменьшается. Кроме того, bq2084 более совершенна, поскольку она выполняет выравнивание на основе напряжений всех секций. Несмотря на эти усовершенствования, подобная методика ограничивает выравнивание областями высокого уровня заряда и может применяться только во время зарядки.

Семейство bq20zxx измерителей уровня заряда Impedance Track™ использует различные стратегии выравнивания параметров, исходя из уровня заряда секции и ёмкости. Вместо выравнивания разброса напряжений измеритель bq20zxx вычисляет заряд, Qneed, который необходим каждой секции для достижения состояния полного заряда, затем определяет разность, ΔQ, между Qneed для каждой секции. Алгоритм выравнивания включает выравнивающие полевые транзисторы ячеек во время зарядки до нулевой ΔQ. Измерители заряда Impedance Track легко выполняют подобную задачу, поскольку суммарная ёмкость, Qmax и уровень заряда уже определены собственно измерителем. Более того, поскольку этот способ выравнивания параметров секций не подвержен влиянию полного сопротивления секции (фактически он контролирует полное сопротивление секции), он может быть реализован в любое время, во время зарядки, разряда или даже в режиме холостого хода. Что особенно важно, он обеспечивает наилучшую точность пассивного выравнивания (рисунок 4).

Пассивное выравнивание параметров секций исходя из уровня заряда и ёмкости

Рисунок 4. Пассивное выравнивание параметров секций исходя из уровня заряда и ёмкости

Активное выравнивание параметров секций

Активное выравнивание параметров секций исключает потери энергии, присущие пассивному методу, за счёт использования ёмкостного или индуктивного хранения заряда и перенаправления энергии туда, где она требуется, с наименьшими потерями. Таким образом, подобный метод предпочтителен для устройств с «осознанной» эффективностью, а также для устройств, в которых приоритетным является максимальное время работы.

Реализованная в bq78PL114 технология выравнивания параметров секций PowerPump™ представляет собой самую новую предложенную корпорацией TI реализацию метода активного выравнивания с использованием передачи заряда через индуктивность. Технология PowerPump™ использует пару из n- и р-канальных МОП-транзисторов, а также силовую катушку индуктивности для построения схемы передачи заряда между соседними парами секций. Показанные на рисунке 5 МОП-транзисторы и силовая катушка индуктивности образуют промежуточную вольтодобавоч-ную цепь. Если bq78PL114 определяет, что верхней секции необходимо передать энергию нижней секции, сигнал P3S, имеющий частоту около 200 кГц и коэффициент заполнения 30%, запускает передачу энергии от верхней секции к катушке индуктивности через верхний р-канальный МОП-транзистор Q1. После сброса сигнала P3S Q1 выключается и энергия, накопленная в индуктивности, достигает максимума. Поскольку ток через индуктивность должен протекать непрерывно, встроенный диод Q2 смещён в прямом направлении, завершая передачу заряда от индуктивности к нижней секции. В этом процессе энергия накапливается в индуктивности с минимальными потерями, обусловленными последовательным сопротивлением катушки и прямым сопротивлением встроенного диода.

Выравнивание параметров секций при помощи технологии PowerPump8482;

Рисунок 5. Выравнивание параметров секций при помощи технологии PowerPump™

В bq78PL114 реализуются на выбор три алгоритма выравнивания:

  • Подача напряжения на клеммы подобно методу пассивного выравнивания по напряжению, описанному выше.
  • Подача напряжения разорванной цепи (OCV), компенсирующего разницу полных сопротивлений, путём оценки OCV на основе измерений тока АКБ и сопротивления секции.
  • Подкачка уровня заряда (выравнивание с опережением) аналогично методу пассивного выравнивания, используемому семейством bq20zxx, исходя из уровня заряда и ёмкости. Алгоритм подкачки уровня заряда определяет заряд, который необходимо передать между секциями, чтобы ёмкости секций выравнялись в конце зарядки. Этот метод обеспечивает наилучшую точность активного выравнивания, как показано на рисунке 6.

Активное выравнивание параметров секций с использованием алгоритма подкачки уровня заряда

Рисунок 6. Активное выравнивание параметров секций с использованием алгоритма подкачки уровня заряда

За счёт более высокого тока выравнивания технология PowerPump™ корректирует разброс параметров секций значительно лучше, чем традиционные пассивные методы, использующие встроенные байпас-ные полевые транзисторы. Типовой эффективный выравнивающий ток для переносного компьютера, регулируемый путём изменения номиналов компонентов, составляет от 25 до 50 мА, что в 12-20 раз лучше, чем при выравнивании с помощью встроенного в интегральную схему байпаса. При таком выравнивании наиболее типичные разбросы ёмкости (составляющие менее 5%) могут быть устранены за один или два цикла.

Кроме очевидных преимуществ, привлекательность технологии выравнивания параметров секций PowerPump™ заключается в том, что выравнивание достигается независимо от напряжений отдельных секций. Выравнивание может быть достигнуто при любом режиме работы АКБ -в заряженном, разряженном состоянии или в состоянии покоя - и даже в случае, если секция, обеспечивающая заряд, имеет напряжение ниже, чем секция, принимающая заряд! По сравнению с пассивным выравниванием, незначительное количество энергии теряется в виде тепла.

Замечания относительно эксплуатационных характеристик пассивного и активного выравнивания

Технология выравнивания параметров секций PowerPump™ является быстрой по своей сути. 2%-ный разброс ёмкости для секции в 2200 мАч может быть выровнен за один или два цикла зарядки. Однако, как упоминалось выше, пассивное выравнивание с использованием встроенных полевых транзисторов ограничено низким током выравнивания и, таким образом, может потребовать многократных циклов для коррекции типового разброса. Выравнивание даже может быть преодолено из-за уровня разброса секций. Для повышения скорости пассивного выравнивания секций может быть установлен внешний байпас, использующий имеющееся оборудование. Типовая реализация, показанная на рисунке 7, может быть использована с bq77PL900, bq2084 или семейством bq20zxx. Внутренний выравнивающий МОП-транзистор для отдельной секции сначала включается, создавая малый ток смещения через внешние резисторы фильтра RExt1 и RExt2, затем выводы секции подключаются к интегральной схеме. Затем на RExt2 устанавливается напряжение между затвором и истоком и включается внешний МОП-транзистор. Сопротивление RDS(on) внешнего МОП-транзистора пренебрежимо мало и внешний выравнивающий ток IBal определяется напряжением секции и RBal.

Принцип внешнего пассивного выравнивания параметров

Рисунок 7. Принцип внешнего пассивного выравнивания параметров

Недостатком данного метода является то, что выравнивание не может быть одновременно достигнуто для соседних секций (рисунок 8а). Это происходит потому, что при включённых соседних встроенных полевых транзисторах отсутствует ток через RExt2, так что Q1 остаётся выключенным, даже когда разрешён внутренний ключ. На практике это незаметно, поскольку внешнее выравнивание может быстро выровнять секцию, соответствующую Q2, а затем будет выровнена секция, соответствующая Q1.

Проблемы выравнивания с использованием встроенных полевых транзисторов

Рисунок 8. Проблемы выравнивания с использованием встроенных полевых транзисторов

Другой проблемой является высокое напряжение сток-исток, VDS, которое возникает, когда выровнена каждая другая секция. На рисунке 8б выравниваются верхняя и нижняя секции. Из-за смещения при выравнивании секции на среднем встроенном ключе имеется высокое значение VDS, которое может превысить значение, поддерживаемое ключом. Решением этой проблемы является ограничение максимального значения RExt или исключение одновременного выравнивания каждой другой секции.

Быстрое выравнивание параметров секций представляет собой новый способ обеспечения повышенной безопасности и улучшенных рабочих характеристик АКБ. При пассивном выравнивании практической задачей является достижение выравнивания ёмкости в конце зарядки; но из-за низкого выравнивающего тока трудно достигнуть правильного выравнивания напряжений в конце разряда. Другими словами, можно избежать перезаряда секций с ухудшенными параметрами, но невозможно улучшить время работы АКБ, поскольку избыточная энергия рассеивается в виде тепла на сопротивлении байпаса. При активном выравнивании с использованием технологии PowerPump™ одновременно могут быть достигнуты две цели - выравнивание ёмкости в конце зарядки и минимизация различия напряжений между секциями в конце разряда. Энергия накапливается и передаётся к секциям с ухудшенными параметрами, что повышает разрядную ёмкость.

Заключение

Одной из существующих технологий повышения безопасности АКБ и увеличения их срока службы является улучшенное выравнивание параметров секций АКБ. Поскольку новые технологии выравнивания отслеживают необходимый для отдельных секций уровень выравнивания, увеличивается продолжительность эксплуатации АКБ и повышается общий уровень безопасности. При использовании быстрого метода активного выравнивания PowerPump™ также может быть увеличено время работы АКБ за счёт эффективного выравнивания в конце разряда в каждом цикле.