Úvod

V posledních letech si lithium-iontové (Li-Ion) články získaly velikou popularitu, už jenom proto, že výrazně vzrostla poptávka po bateriově napájených, přenosných zařízeních. Špičkovou vlastností lithium-iontových článků je vysoká hmotnostní i objemová hustota energie, pomalé samovolné vybíjení a také vyloučení paměťového efektu. Svět spotřební elektroniky se o lithium-iontové články výrazně opírá a přiřazuje jim funkci hlavního napájecího zdroje pro svá přenosná zařízení, třeba v podobě mobilních telefonů nebo přenosných počítačů, zařízení, která jsou již léta dominantními základnami pro využití tohoto zdroje energie. S postupujícím vývojem a rostoucí popularitou různých chemických struktur mohou výhodné vlastnosti lithium-iontových článků využívat i další zařízení. Příruční nářadí, vozidla na elektrický pohon, lékařské i průmyslové přístroje – zde všude najdeme tento druh baterií.

Spotřební elektronika někdy vystačí s jednoduchým lithium-iontovým článkem (např. mobilní telefony), jindy zase využijeme sério – paralelní kombinace, např. šest článků v konfiguraci 3s2p (notebook). Nová zařízení budou ke své činnosti vyžadovat větší výkony, kapacitu i mechanickou odolnost celé bateriové sestavy. Články jsou proto zapojovány do série pro dosažení vyššího napětí a paralelně pro zvýšení kapacity. Výsledná sestava pak nabídne třeba již zmíněných šest článků pro přenosné počítače, ale také až několik set dílčích zdrojů v případě motorových vozidel. Takové požadavky vytvářejí při návrhu a vývoji nové problémy, neboť znásobují méně ideální vlastnosti lithium-iontových zdrojů.

Má-li být zajištěn dostatečně kvalitní návrh, vyžadují tyto velké baterie pokročilé řízení. Je třeba mít na zřeteli vhodné měření teploty, napětí i proudu, které nabývá na významu právě s rostoucí velikostí sestavy, kdy vhodné vyvažování článků promlouvá do spolehlivosti, doby provozuschopnosti a také celkové životnosti. Je-li požadováno větší množství článků napájecího zdroje, pak naší největší starostí budou vzájemné rozdíly teplot, kapacity a sériové impedance. Převážná část tohoto článku se proto bude zabývat popisem těchto vlivů a také možností, jak se s tím vším elegantně vyrovnat.

Problém: Různé podmínky jednotlivých článků

Úkolem baterie je akumulovat a také dodávat potřebné množství energie. U sestavy chceme mít možnost vložit a následně také využívat takové množství energie, jaké je jen možné. Hlavní překážkou, která tomu u vícečlánkové baterie brání, je nevyváženost článků. Podívejme se, jak tato skutečnost ovlivňuje dodávku energie do připojené zátěže.

U sestav lithium-iontových baterií jsou definována minimální a maximální napětí, kterých mohou jednotlivé články dosáhnout. Jedná se o bezpečnostní hledisko, které je řízeno integrovaným obvodem uvnitř sestavy. Podívejme se na obr. 1A. Tato bateriová sestava může být nabíjena a vybíjena, pokud každý článek setrvává v rámci hraničních hodnot pro přepětí a podpětí. Pokud jeden článek dosáhne některé z těchto mezních hodnot, celá sestava bude odpojena, čímž zůstává nevyužita energie, která by jinak mohla být dodána zátěži (podpětí, obr. 1B). V opačném případě nebude zase nabíječka schopna dodat do bateriové sestavy předpokládané množství energie (přepětí, obr. 1C).

Obr. 1: Vliv nevyváženosti článků na využití kapacity baterie; Over Voltage Pack Cutoff – Mez přepětí pro sestavu, Maximum Runtime – Maximální využitelná energie, Under Voltage Pack Cutoff – Mez podpětí pro sestavu, Unused Capacity – Nevyužitá kapacita.

Nevyváženost článků může mít více příčin:

• Nestejnoměrné tepelné namáhání
• Rozdílná impedance
• Nedostatečná shoda kapacity článků
• Kolísání chemického složení

Některé z těchto příčin mohou být minimalizovány výběrem článků a následným pečlivým návrhem sestavy. I když je ale návrhu věnována patřičná pozornost, k nevyváženosti článků nejvíce přispívá právě nerovnoměrné teplotní zatížení. Rozdílné teploty článků způsobují rozdílné změny impedance a také rozdíly v probíhajících chemických reakcích. Tento stav se navíc s teplotním rozdílem a také dobou, po kterou jsou články těmto odlišnostem vystaveny, dále zhoršuje. Na obr. 2 je zachycen snímek přenosného počítače, pořízený teplotně citlivou kamerou, který ukazuje, jak veliké mohou být teplotní rozdíly u zařízení spotřební elektroniky. Každý nárůst teploty o 10 ºC přitom zdvojnásobuje rychlost samovybíjení lithium-iontového článku. Další z vlastností lithium-iontové baterie je, že vnitřní odpor silně závisí na teplotě. Články s nižší teplotou vykazují vyšší impedanci a proto má tento spád při nabíjení i vybíjení ještě větší význam. Na celkové kondici se rovněž podepisuje dlouhodobé působení stavu vysokého nabití, vysoké teploty nebo rostoucí počet nabíjecích cyklů.

Obr 2: Snímek teplotních rozdílů v bateriové sestavě přenosného počítače, pořízený termovizí; >10 °C Variation Between Cells – Rozdíl mezi články >10 °C, Temperature Profile along Section Line – Teplotní profil podél linie řezu.

Řešení: Vyvážení článků

V důsledku vlivu na samotnou dodávku energie a také nebezpečí, spojené s přebitím lithium-iontové baterie, která je tvořena články zapojenými do série, je nezbytné použít některý ze způsobů korekce nevyvážení. Existují dvě metody vyvažování: Pasivní a aktivní.

Pasivní vyvažování článků

Jedná se o způsob, známý také jako vyvažování pomocí “vybíjecích odporů”. Pasivní metoda vyvažování článků používá přímý způsob vybíjení, umožňující odebírat proud z článků s vyšším napětím, dokud není dosaženo stejného napětí na všech článcích. Mnoho součástek navíc nabízí vyvažování článků spolu s dalšími funkcemi bateriového managementu.

Integrované ochrany lithium-iontových bateriových sestav, jako je např. obvod bq77PL900, jsou určeny pro akumulátorové elektrické nářadí, kola a skútry s pomocným elektrickým motorem, zálohované zdroje napájení i lékařskou elektroniku. Tyto obvody fungují jako samostatné systémy bateriové ochrany, ke které lze připojit pět až deset článků v sériové konfiguraci. Kromě mnoha funkcí bateriového managementu, ovládaného prostřednictvím rozhraní I2C, je napětí článků porovnáváno s nastavitelnou prahovou úrovní, která rozhoduje o nezbytnosti vyvažování. Jestliže některý z článků dosáhne této prahové úrovně, nabíjení se zastaví a článek je vnitřně přemostěn. Jakmile napětí článku s přepětím klesne na požadovanou úroveň, vyvažování článku je ukončeno a nabíjení pokračuje.

Algoritmy, které na pozici vyvažovacího parametru využívají pouze napěťového rozdílu, mají nevýhodu překompenzování (nebo podkompenzování) v důsledku vlivu nevyvážené impedance (obr. 3 a 4). Během nabíjení totiž k napěťovému rozdílu (VDiff_Start a VDiff_End) přispívá i tato impedance článku. Jednoduché vyvažování na základě napětí nerozlišuje mezi kapacitní ani impedanční nerovnováhou. Toto vyvážení tedy nemůže zajistit, aby při plném nabití dosáhly všechny články žádoucí, 100% kapacity.

Obr. 3: Pasivní vyvažování vybíjením v závislosti na napětí; Cell A – Článek A, Cell B – Článek B, Overvoltage (OV) detection threshold range – Prahová velikost pro detekci přepětí, OV detection hysteresis program step – Velikost hystereze pro přepěťovou detekci.

Obr. 4: Jednoduché vyvažování dle napětí nemusí efektivně vyvažovat kapacitu článků; Cell Voltage and Current – Napětí a proud článku, Voltage Balanced – Napětí vyváženo, Capacity Not Balanced – Není vyvážena kapacita, Balancing On – Vyvažování zapnuto, Balancing Off – Vyvažování vypnuto, Current – Proud, Time – Čas.

Jednou z možností, jak problém vyřešit, je obvod bq2084 (označený také jako „fuel gauge“ – „palivoměr“) se zlepšeným vyvažováním v závislosti na napětí. Protože impedanční rozdíly mezi jednotlivými články mohou být pro použitý algoritmus zavádějící, je vyvažování prováděno pouze před koncem nabíjecího cyklu. Takto je minimalizován vliv rozdílů impedancí, protože změny IRBAT v případě, že se nabíjecí proud blíží k úrovni, při které dochází k ukončení nabíjení, budou menší. Kromě toho tento integrovaný obvod provádí rozhodování o vyvažování dle napětí na všech článcích, tj. efektivněji. Bez ohledu na všechna tato vylepšení ale musíme konstatovat, že spoléhat jen na napěťové úrovně znamená omezit proces vyvažování pouze na nabíjení a to ještě jen na jeho poslední fáze.

Jiným příkladem je řada obvodů bq20zxx, která používá vyvažovací strategii Impedance Track™. Místo eliminování zavádějícího vlivu napěťových rozdílů zde pro každý článek počítáme náboj (QNEED), potřebný pro dosažení stavu úplného nabití (obr. 5). Použitý algoritmus spíná vyvažovací tranzistory FET během nabíjení článků tak, aby byl dodán potřebný náboj QNEED, což lze jednoduše zaručit, protože celková kapacita i stav nabití baterie (SOC) jsou k dispozici z měřicí funkce. Protože vyvažování není zkresleno impedančními rozdíly jednotlivých článků, pracuje tato metoda nezávisle na tom, zda je baterie nabíjena, vybíjena nebo je dokonce mimo provoz. Tímto postupem tak lze v otázce přesného vyvážení dosahovat nejlepších výsledků.

Obr. 5: Vyvažování článků na základě náboje QNEED; Cell Voltage – Napětí článku, Number of Cycles – Počet cyklů, Cell 2 (2 % up) – Článek 2 (2 % nad), Cell 0 (normal) – Článek 0 (normální), Cell 1 (2 % down) – Článek 1 (2 % pod).

Protože má pasivní vyvažování s integrovaným tranzistorem FET, navzdory všemu krásnému, některá omezení, lze při určitých odchylkách z titulu vnitřní nerovnováhy článků pochybovat o účinné a dostatečné formě vyvážení. Mimoto, v důsledku malého přemosťovacího proudu, může korekce pro typickou velikost nevyvážení trvat i několik cyklů. Návrhem vnějších přemosťovacích obvodů však můžeme vyvažovací funkci posílit (obr. 6 a 7). Je – li v zapojení dle obr. 6 rozhodnuto o vyvážení příslušného článku, dochází nejprve k sepnutí vnitřního vyvažovacího tranzistoru MOSFET. Následně začíná přes rezistory vnějšího filtru, které jsou připojeny ke kontaktům článků (Článek 1 a Článek 2) a vývodům integrovaného obvodu, protékat malý proud. Při stanoveném napěťovém úbytku na rezistoru (Vgs) pak spíná vnější MOSFET. Nevýhodou je, že sousedící články nemohou být vyvažovány rychle a už vůbec ne současně. Jestliže jsou například sousední vnitřní tranzistory FET sepnuty, tranzistor Q2 nelze aktivovat, protože rezistorem R2 neprotéká žádný proud.

Obr. 6: Pasivní vyvažování článků s vnějšími tranzistory FET

Obr. 7: Nová topologie pro pasivní vyvažování článků s vnějšími FETy; High Bypassing Current – Vysoký přemosťovací proud, External FETs – Vnější FETy.

Na obr. 7 je uveden poslední příklad pasivního vyvažování článků. Jedná se o levné, jednočipové řešení. Na rozdíl od předchozí varianty nemá tento integrovaný obvod vnitřní vyvažování článku, ale vyžaduje k této činnosti obdobný, vnější, přemosťovací obvod. Protože je ale integrovaný spínací prvek pro vyvažování k dispozici s otevřeným kolektorem, můžeme současně obsluhovat několik článků, včetně těch sousedících. Struktura využívá zlepšeného algoritmu vyvažování v závislosti na napětí, stejně jako obvod na obr. 6. Budicí stupně s vnějšími tranzistory FET na obr. 7 ale poskytují efektivnější vyvážení.

Aktivní vyvažování článků

Pasivní vyvažování není metoda, která by mohla vyniknout během vybíjení, protože 100 % přebytečné energie z daného článku bude rozptýleno a tudíž i promrháno ve formě tepla. Aktivní vyvažování článků, které pro převedení náboje mezi články využívá kapacitní nebo induktivní přenos energie, je naproti tomu efektivnější. Energie je totiž směrována tam, kde ji skutečně potřebujeme, místo toho, aby byla bez užitku "protopena". Dosáhneme toho ale za cenu přidání dalších součástek, tj. s vyššími náklady.

Patentovaná technologie vyvažování článků PowerPumpTM (bq78PL114; více informací viz také článek Udržujeme Li-Ion články v perfektní kondici) zosobňuje nejnovější způsob aktivního vyvažování článků pomocí induktivního přenosu náboje. Pro přenos náboje mezi sousedním párem článků se používá MOSFETový tranzistorový pár s kanály N a P a cívka.

Vývojář definuje práh nevyváženosti mezi sériově zapojenými články sestavy. Jakmile zmíněný integrovaný obvod detekuje nevyvážení nad touto prahovou úrovní, dochází k aktivaci technologie PowerPump. Obr. 8 ukazuje zjednodušený obvod typu buck – boost, využívající dva tranzistory MOSFET (Q1 a Q2) a cívku. Z horního článku (V3) je třeba přenést energii do spodního článku (V2). Signál P3S (s kmitočtem přibližně 200 kHz a střídou 30 %) spouští přes tranzistor Q1 přenos energie do cívky. Jakmile se signál P3S vrací zpět, tranzistor Q1 vypíná a míra energie v cívce dosahuje své maximální hodnoty. Proudová smyčka se ale musí nějak uzavřít. K tomuto účelu slouží substrátová dioda Q2, která je nyní pro tento účel průchozí a dovršuje tak přenos náboje do článku V2. Sluší se zdůraznit, že v důsledku malého sériového odporu cívky dochází jen k minimálním energetickým ztrátám.

Obr. 8: Vyvažování článků pomocí technologie PowerPump; Current – Proud, Body Diode – Substrátová dioda.

V důsledku různých vzdáleností a také kapacit sériových článků existují jistá omezení, která při přenosu náboje musíme vzít v úvahu. Bude nás tedy zajímat, jak daleko můžeme přenášet energii, abychom ještě udrželi optimální přínos takového přenosu. Jinými slovy, kdy už neefektivita převodu převáží nad výhodami, plynoucími z vyvážení článků. Uvažujeme-li v našem testu účinnost 85 %, bude si technologie PowerPump moci "vypůjčit“ energii z článků, které nesmí být vzdáleny o více než šest pozic. Musíme však zdůraznit, že nejprve, bez ohledu na účinnost, potřebujeme dosáhnout ‘místního vyvážení’ a teprve pak můžeme řešit plné vyvážení celé soustavy.

Kromě zřejmých výhod spočívá krása vyvažování článků pomocí technologie PowerPump také v tom, že žádaného stavu lze dosáhnout bez ohledu na napětí jednotlivých článků. Pokud se tedy rozhodneme provést přenos náboje mezi dvěma články, může k tomu dojít v průběhu jakéhokoli pracovního režimu baterie (nabíjení, vybíjení, klidový stav). K přenosu náboje dojde dokonce i v případě, že článek, který náboj poskytuje, má nižší napětí (například v důsledku změny odporu článku během nabíjení nebo vybíjení) než cílový článek. Ve srovnání s vyvažováním prostřednictvím vybíjecího odporu budou energetické ztráty ve formě tepla malé.

Existují tři možné vyvažovací algoritmy:

• Čerpání dle svorkového napětí (Terminal Voltage (TV))
• Čerpání dle napětí naprázdno (Open Circuit Voltage (OCV))
• Čerpání dle stavu nabití (State Of Charge (SOC)), prediktivní vyvažování

Čerpání dle svorkového napětí se podobá pasivnímu vyvažování dle napětí. Jak již bylo zmíněno dříve v souvislosti s obr. 4, přerozdělování dle svorkového napětí (TV) mívá problémy s vyvážeností kapacity v důsledku odlišných impedančních poměrů. Čerpání dle napětí rozpojeného obvodu (OCV) naproti tomu kompenzuje rozdíly impedancí odhadem napětí naprázdno na základě měření proudu sestavy a impedance článků.

Čerpání dle stavu nabití pracuje podobným způsobem jako prvky s technologií Impedance Track™, tj. určuje přesnou úroveň nabití každého článku a přenáší energii mezi články tak, že kapacity článků jsou na konci nabíjení (End Of Charge (EOC)) vyvážené (viz obr. 9). Podíváme-li se na vybíjecí charakteristiku, sledující napětí naprázdno (viz obr. 10), bude prediktivní vyvažování každého článku vztaženo k příslušné velikosti napěťového offsetu, který odpovídá jeho kapacitě. Kapacitní rozdíly řádu jednotek procent sice mohou v místě zlomu vybíjecí křivky způsobit velké rozdíly, známe-li však kapacitu s přesností jednoho nebo dvou procent, můžeme na konci vybíjení dosáhnout velmi těsné shody. Největší shodu mezi články tedy požadujeme na konci nabíjení nebo vybíjení a aktivní způsob vyvažování nabízí pro tyto účely účinnou podporu.

Obr. 9: Technologie PowerPumpTM poskytuje rychlé a přesné vyvažování článků; Less Balancing – Menší vyvážení, Cell Voltages – Napětí článků, Capacity Balanced at EOC – Vyvážená kapacita na konci nabíjecího cyklu.

Obr. 10: Každý článek je postižen určitým napěťovým offsetem, který odpovídá jeho kapacitě; technika čerpání dle stavu nabití (SOC) přináší požadovanou shodu – viz koleno charakteristiky vpravo.

Technologie PowerPump upravuje nevyváženost článků lépe než běžné pasivní vyvažování. Změnou součástek může být navíc jednoduše řízen i větší vyvažovací proud. Efektivní vyvažovací proud pro zdroje přenosných počítačů má typickou velikost 25 až 50 mA, což je 12 až 20krát vyšší hodnota než při vyvažování vnitřním přemostěním. Díky popsaným výhodám může navíc aktivní vyvažování článků upravovat nevyváženost kapacity až po dobu 95 % daného cyklu.

U baterií s větší kapacitou dosahuje technologie PowerPump ještě větších rozdílů. Vezměme v úvahu délku doby, během které může být bateriová sestava ošetřována pasivním vyvažováním v závislosti na napětí: Pozitivní vyvažování velké bateriové sestavy je prováděno během závěrečné části nabíjecího cyklu, takže z celkové doby lze pro vyvážení využít jen několik málo procent. Celá řada vývojářů proto volí vyvažování proudem větším než 1 A, výjimkou není ani překročení 10 A hranice. Takové zatížení ale vytváří mnoho teplotních problémů, takže zmíněný přístup zákonitě klade zvýšené nároky na použité výkonové FET, které nadto dále prodražuje. Vezmeme-li ale v úvahu možnosti prakticky nepřerušovaného vyvažování při využití technologie PowerPump, budou popisované problémy výrazně potlačeny.

Volbou vnějších součástek definujeme velikost vyvažovacího proudu. Špičkový proud cívkou je dán napětím článku, indukčností a dobou sepnutí. Průměrná velikost proudu ze zdrojového článku je během cyklu rovna

0,5 * špičkový proud * střída.

Při normálním režimu čerpání vychází střída na 33 %. Použijeme-li tedy doporučenou cívku 15 μH a špičkový proud okolo 460 mA, dostaneme ze zdrojového článku průměrný proud 75 mA, který může být udržován po relativně dlouhou dobu. Tímto způsobem udržíme celý systém v rovnováze a při dosažení konce nabíjení nebo vybíjení ještě zjistíme, že došlo k vzájemnému přerozdělení maximálního množství energie.

Vyvstává ale otázka: “Jak veliký vyvažovací proud opravdu potřebuji?” Odpovědí je to, co většinou neslyšíme rádi: “Jak se to vezme!” Prvním krokem je vypočet očekávané změny nevyváženosti v čase. Jestliže systém běží při pětiprocentní nevyváženosti, budeme po jedné hodině vybíjení 20 Ah sestavy muset přenášet velké objemy energie. Tomu pochopitelně musíme přizpůsobit vlastnosti (tj. také velikosti) použitých cívek i výkonových (PowerPump) FETů. V nejnovějším firmwaru je rovněž dostupná volba technologie SuperPump. Díky ní můžeme pro přenos energie používat větší střídu, protože některá měření jsou během normální periody jednoduše vynechána. Jak jsme již ale uvedli dříve, kvalita článků a teplotní management budou i zde hlavními faktory při stanovení, k jak velkému nevyvážení nakonec dojde.

Bezpečnostní výhodou aktivního vyvažování je, že můžeme sledovat čas potřebný k vyvážení jednoho článku, příp. také čisté čerpání pro každý prvek, tj. počet čerpání do článku mínus počet čerpání z článku. Bude-li tato hodnota pro daný případ příliš vysoká a článek tak dostává obrovské množství energie od ostatních, může tento stav jednoduše odhalit vadný článek a být tak jednou z definic pro stanovení aktuální kondice (SOH), stejně jako je tomu v případě impedance článku nebo jeho kapacity při plném nabití.

Závěr:

Perspektivní bateriové technologie, zaměřující se na bezpečnost, výdrž a také životnost, obvykle nabízejí pokročilé vyvažování článků spolu s účinným teplotním managementem. Nové postupy při vyvažování článků sledují požadavky dílčích zdrojů a proto se využitelná doba bateriových sestav včetně celkové bezpečnosti s radostí zvětšují. Vyvažování v každém cyklu navíc zabraňuje špatnému využítí článků, které často vede k ještě větší nerovnováze a následnému rychlejšímu stárnutí. Stále se rozrůstající varianty chemického složení článků, způsoby jejich konfigurace i nové, ještě odvážnější koncové aplikace se bez pečlivého vyvažovacího návrhu jednoduše neobejdou.

Download a odkazy:

Chcete-li získat podrobnější informace a stáhnout datové listy nebo aplikační poznámky, navštivte:

• www.ti.com/bq2084-ca
• www.ti.com/bq77pl900-ca
• www.ti.com/bq76pl102-ca
• www.ti.com/bq78pl114-ca
• www.ti.com/bq3060-ca

Něco o autorech:

• Sihua Wen (Simon) je aplikačním inženýrem ve skupině Portable Power Battery Management společnosti Texas Instruments. Získal titul B.S. v oboru materiálů na Tsinghua University v Číně a tituly M.S. a Ph.D. v oboru výkonové elektroniky na Virginia Tech. Dr. Wena můžete kontaktovat na ti_swen@list.ti.com.
• Matthew Borne je marketingový manažer společnosti Texas Instruments a zodpovídá za aplikace s LED. Získal titul BSEE a Business Minor na Iowa State University a jeho koníčky jsou pobyt v přírodě, horolezectví a horské kolo. Matthewa můžete kontaktovat na ti_matthewborne@list.ti.com.

Impedance Track a PowerPump jsou obchodní značky Texas Instruments.

Všechny ostatní značky jsou majetkem jejich příslušných vlastníků.