Miksi ja miten akunhallintamikropiirejä käytetään pinotuissa kennoissa

Ladattavia akkuja käytetään yhä useammin korkeiden jännitteiden ja suuren tehon tuottamiseen sellaisissa sovelluksissa kuten sähköajoneuvot (EV) ja hybridisähköajoneuvot (HEV), sähkötyökalut, nurmikonhoitolaitteet ja keskeytymättömät virransyötöt. Vaikka on tunnettu fakta, että kaikenlaiset kemialliset järjestelmät vaativat huolellista monitorointia ja hallintaa tehokkaan, luotettavan ja turvallisen toiminnan takaamiseksi, näiden laitteiden tehontarpeet vaativat kymmeniä sarjaan kytkettyjä akkukennoja. Tämä vaatii suunnittelijoilta entistä enemmän huomiota etenkin akkukohtaisen kennomäärän kasvaessa.

Yksittäisen kennon tai pienen, vain muutaman kennon sisältävän akkupaketin monitorointi ja mittaaminen ei ole mikään haaste ja se on paljon yksinkertaisempaa kuin sama monikennoiselle sarjalle. Pinottujen monikennoisten akkukokoonpanojen suunnittelijoiden on otettava huomioon muun muassa seuraavat seikat: mittausten suorittaminen korkeasta yhteisjännitteestä huolimatta, vaarallisten jännitteiden esiintyminen, yksittäisen kennon vikaantumisen vaikutukset, suuren kennomäärän multipleksaus, kennojen yhteensopimattomuus ja tasapainotus sekä akkupinon lämpötilaerot. Eikä tässä ollut kaikki. Ne vaativat kehittyneitä akunhallintamikropiirejä (BMIC) ja akunhallintajärjestelmiä (BMS) parametrien mittausta ja valvontaa varten sekä jonkin verran teknistä tietotaitoa, jotta niitä voidaan käyttää oikein.

Tässä artikkelissa käsitellään akkuhallinnan yleisiä perusteita ja haasteita ja erityisesti monikennoakkuja. Sen jälkeen siinä esitellään valmistajien Analog Devices, Renesas Electronics Corp. ja Texas Instruments akkuhallintamikropiirit, jotka on suunniteltu juuri sarjaan kytkettyjen kennoketjujen hallinnan erityispiirteisiin, ja näytetään, miten niitä voidaan käyttää.

Sarjaan kytkettyjen akkujen ketjuissa on omat erityiset haasteensa

Tyypilliseen akun monitorointiin kuuluu virran mittaaminen akkuun ja akusta (energiamäärän mittaus), napajännitteen valvonta, akun kapasiteetin arviointi, kennojen lämpötilan monitorointi ja lataus-/purkusyklien hallinta energian varastoinnin optimoimiseksi ja tällaisten syklien määrän maksimoimiseksi akun käyttöiän aikana. Yleisesti käytettävät akunhallintamikropiirit tai akunhallintajärjestelmät tarjoavat nämä toiminnot vain yhdestä tai kahdesta kennosta koostuville pienille akkupaketeille, joiden jännitteet ovat yksinumeroisia. Akunhallintamikropiiri tai akunhallintajärjestelmä toimii tiedonkeruun etuasteena, ja sen tiedot välitetään kennonhallintaohjaimelle (CMC, Cell Management Controller). Kompleksisemmissa järjestelmissä kennonhallintaohjain on yhteydessä korkeampitasoiseen toimintoon, jota kutsutaan akunhallintaohjaimeksi (BMC, Battery Management Controller).

”Kennolla” tarkoitetaan tässä artikkelissa yksittäistä energian varastointiyksikköä, kun taas ”akulla” tarkoitetaan koko akkupakettia, joka koostuu useista kennoista sarja- tai rinnakkaisyhdistelmänä. Yksittäinen kenno tuottaa vain muutaman voltin jännitteen, mutta akkupaketti voi koostua kymmenistä tai useammista kennoista ja tuottaa useita kymmeniä voltteja, ja akkupakettien yhdistelmät tuottavat vielä enemmän.

Tehokkaan hallinnan kannalta kriittisiä mitattavia kennoparametreja ovat napajännite, lataus-/purkausvirta ja lämpötila. Nykyaikaisissa akkupaketeissa vaadittava mittaustehokkuus on melko korkea: kukin kenno on mitattava muutaman millivoltin (mV) ja milliampeerin (mA) ja noin yhden asteen (°C) tarkkuudella. Näin tarkkaan kennojen monitorointiin on muun muassa seuraavia syitä:

• Akkupaketin lataustilan (SOC, State-Of-Charge) ja toimintakunnon (SOH, State-Of-Health) määrittäminen, jotta akkupaketin jäljellä oleva kapasiteetin (käyttöaika) ja yleisen käyttöiän ennakoiminen olisi tarkkaa.
• Kennojen tasapainottamiseen tarvittavien tietojen tarjoaminen. Tällöin ladattujen kennojen jännite tasataan toisiinsa nähden niiden sisäisistä eroista sekä erilaisista sijainneista, lämpötiloista ja iästä huolimatta. Jos kennoja ei tasapainoteta, parhaimmassa tapauksessa akkupaketin suorituskyky heikkenee ja pahimmassa tapauksessa kennot vikaantuvat. Tasapainotus voidaan toteuttaa passiivisella tai aktiivisella tekniikalla. Jälkimmäisellä saadaan hieman parempia tuloksia, mutta se on kalliimpaa ja kompleksisempaa.
• Monien sellaisten tilanteiden estäminen, jotka voisivat vahingoittaa akkua ja vaarantaa käyttäjän (sekä ajoneuvon ja sen matkustajien) turvallisuuden. Niihin kuuluvat muun muassa seuraavat ei-toivotut tilanteet:
• Ylijännite tai lataus liian suurilla virroilla, mikä voi johtaa lämpöryntäykseen.
• Alijännite: yksittäinen ylipurkaus ei aiheuta katastrofaalista vikaa, mutta voi käynnistää anodijohtimen liukenemisen. Myöhemmin toistuvat ylipurkaussyklit voivat johtaa litiumpinnan syntymiseen ladattavassa kennossa ja mahdolliseen lämpöryntäykseen tässäkin tilanteessa.
• Liian korkea lämpötila heikentää kennon elektrolyyttimateriaalia ja laskee sen lataustilaa. Tämä voi myös lisätä kiinteän elektrolyytti-interfaasin (SEI, Solid-Electrolyte Interphase) muodostumista, mikä kasvattaa resistiivisyyttä ja lisää sen epätasaisuutta sekä tehohäviöitä.
• Myös liian alhainen lämpötila on ongelma, sillä se voi aiheuttaa litiumin kerrostumista. Myös tämä heikentää kapasiteettia.
• Ylivirta ja sen aiheuttama sisäinen kuumeneminen epätasaisen sisäisen impedanssin ja mahdollisen lämpöryntäyksen vuoksi. Tämä voi kasvattaa SEI-kerrostumia akussa ja lisätä resistiivisyyttä.

Tämä ei kuitenkaan ole niin helppoa kuin voisi olettaa. Yksittäisen kennon jännite on melko helppo mitata tarkasti testipenkissä tai muussa helpossa ympäristössä. Suunnittelijan tarvitsee vain kytkeä kelluva (maadoittamaton) tai akkukäyttöinen digitaalinen jännitemittari (DVM) mitattavaan kennoon (kuva 1).

Kuva 1: Jännitteen mittaaminen akkusarjan ketjun mistä tahansa yksittäisestä kennosta on periaatteessa yksinkertaista, ja siihen tarvitaan vain kelluva digitaalinen volttimittari. (Kuvan lähde: Bill Schweber)

Tämän luotettava ja turvallinen toteuttaminen on kuitenkin monista syistä johtuen paljon vaikeampaa sähköisesti ja ympäristötekijöitään vaativassa tilanteessa, kuten sähkö- tai hyötyajoneuvossa. Tämä käy selväksi EV-akkupaketin esimerkistä. Akkupaketti koostuu 6720 Li+ -kennosta, joita hallitaan kahdeksalla ohjausmoduulilla (kuva 2).

Kuva 2: Reaalimaailman akkupaketti koostuu sarjaan ja rinnakkain kytkettyjen kennojen moduuleista. Niihin on varastoitunut huomattava määrä energiaa. Edellä mainitut tekijät vaikeuttavat huomattavasti kennojännitteiden mittaamista. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Kunkin kennon kapasiteetti on 3,54 ampeerituntia (Ah), joten energian nimellinen kokonaisvarastointikapasiteetti on 100 kilowattituntia (kWh) (3,54 Ah x 4,2 volttia x 6720 kennoa). Kukin 96 sarjaan kytketystä rivistä koostuu 70 rinnakkaisesta kennosta, mikä tuottaa akkujännitteen 403,2 volttia (96 riviä × 4,2 volttia) ja kapasiteetin 248 Ah (100 kWh/403,2 volttia tai 3,54 Ah × 70 saraketta).

Ongelmia ovat muun muassa:

• Pientä, yksinumeroista jännitettä mitattaessa on haastavaa saavuttaa tarvittava resoluutio ja tarkkuus, jota muutaman millivoltin merkityksellinen tarkkuus vaatii. Tähän vaikuttaa korkea yhteisjännite (CMV), joka voi ylikuormittaa mittausjärjestelmän ja vaikuttaa lukeman luotettavuuteen. Tämä korkea yhteisjännite on kaikkien sarjaan kytkettyjen kennojen jännitteiden summa, mitattava kenno mukaan laskettuna, suhteessa järjestelmän yhteiseen jännitetasoon (jota kutsutaan myös nimellä ”maadoitus”, vaikka se onkin virheellinen nimitys). Huomaa, että sähköautossa voi olla 96 tai jopa 128 akkukennoa sarjassa. Tämä tuottaa satojen volttien yhteisjännitteen.
• Korkean yhteisjännitteen vuoksi kennot on erotettava galvaanisesti muusta järjestelmästä sekä sähköisen yhtenäisyyden että käyttäjän/järjestelmän turvallisuuden takaamiseksi, koska kumpikaan ei saa altistua täydelle yhteisjännitteelle.
• Sähköinen kohina ja ylijännitteet voivat helposti vääristää millivolttialueen lukeman.
• Lukuisat kennot on mitattava lähes samanaikaisesti muutaman millisekunnin sisällä, jotta saadaan tarkka kokonaiskuva kennojen ja akkupaketin tilasta. Muuten kennomittausten välinen viive voi johtaa harhaanjohtaviin johtopäätöksiin ja niistä seuraaviin toimiin.
• Kennojen suuri lukumäärä tarkoittaa, että kennojen ja tiedonhankinnan alijärjestelmän välillä tarvitaan jonkinlainen multipleksausjärjestely, sillä muuten liitäntöihin tarvittavan johdotuksen koko, paino ja kustannukset nousevat kohtuuttomiksi.

Lisäksi on otettava huomioon tärkeitä ja pakollisia turvallisuuteen, redundanssiin ja virheiden raportointiin liittyviä näkökohtia. Standardit vaihtelevat toimialoittain. Teollisuuskoneet ja sähkötyökalut poikkeavat hyvin paljon autoista, ja jälkimmäistä koskevat standardit ovat tiukemmat. Toiminnon vikaantuminen ei saa johtaa vaaratilanteeseen autojen elintärkeissä järjestelmissä, kuten akunhallintaan liittyvissä järjestelmissä. Jos järjestelmässä ilmenee toimintahäiriö, ”turvallinen” tila edellyttää elektroniikan kytkeytymistä pois päältä ja kojelaudan merkkivalon tai muun ilmaisimen täytyy varoittaa ajoneuvon kuljettajaa.

Joissakin järjestelmissä toimintahäiriö tai toiminnon vikaantuminen voi kuitenkin potentiaalisesti johtaa vaaratilanteeseen, eikä järjestelmiä voi yksinkertaisesti kytkeä pois päältä. Siksi turvallisuustavoitteisiin voi sisältyä määritelty vaatimus ”turvallisuuteen liittyvästä käytettävyydestä”. Tällaisissa tapauksissa järjestelmässä saatetaan vaaratilanteiden välttämiseksi tarvita tietyntyyppisten vikojen sietokykyä.

Tällainen turvallisuuteen liittyvä käytettävyys edellyttää perustoimintojen tai määritellyn ”poistumisreitin” tarjoamista tietyn aikaa – määritellyistä vikatiloista huolimatta – ja turvallisuusjärjestelmän on siedettävä vikaa, kunnes kyseinen aika on kulunut umpeen. Tämän vikasietoisuuden ansiosta järjestelmä voi jatkaa toimintaansa pidempään hyväksyttävällä turvallisuustasolla. Standardin ISO 26262 ”Tieajoneuvot. Toiminnallinen turvallisuus” keskeisissä kohdissa annetaan järjestelmien kehittäjille ohjeita turvallisuuteen liittyvistä käytettävyysvaatimuksista.

Mikropiirit tarjoavat ratkaisuja

Valmistajat ovat kehittäneet BMS-mikropiirejä, joiden tehtävänä on ratkaista ongelma lukea yksittäinen kenno ketjuun kytketystä sarjasta – korkeasta yhteisjännitteestä ja vaativasta sähköisestä ympäristöstä huolimatta. Nämä mikropiirit eivät ainoastaan tarjoa perustason mittausarvoja, vaan ne ratkaisevat myös multipleksaukseen, erotukseen ja aikaviiveisiin liittyviä teknisiä ongelmia. Ne täyttävät alaa koskevat turvallisuusstandardit ja tarjoavat tarvittaessa ASIL-D-hyväksynnän autoteollisuussovelluksia varten. Tämä on kaikkein korkein ja vaativin taso.

ASIL (Automotive Safety Integrity Level) -turvavaatimustaso on tieajoneuvojen toiminnallisen turvallisuuden standardissa ISO 26262 määritelty riskiluokitusjärjestelmä. Se noudattaa turvavaatimustasoa (SIL), jota käytetään autoteollisuudessa sovellettavassa standardissa IEC 61508.

Vaikka näiden BMS-komponenttien toiminnot ovat suurin piirtein samankaltaisia, ne eroavat jossain määrin toisistaan arkkitehtuurin, käsiteltävissä olevien kennojen lukumäärän, skannausnopeuden, resoluution, komponenttikohtaisten ominaisuuksien ja liitäntämenetelmän suhteen:

•Erotettu CAN-arkkitehtuuri perustuu robustiin tähtikonfiguraatioon, sillä tiedonsiirtojohdon katkeaminen vaikuttaa erotetussa CAN-arkkitehtuurissa vain yhteen mikropiirin, kun taas muu akkupaketti pysyy turvallisena. CAN-arkkitehtuuri vaatii kuitenkin mikroprosessorin ja CAN-järjestelmän kutakin mikropiiriä varten, mikä tekee tästä lähestymistavasta kalliimman ja tarjoaa suhteellisen hitaat tiedonsiirtonopeudet.

•Ketjutettava arkkitehtuuri on yleensä kustannustehokkaampi, koska sen UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) -pohjainen ketjutus voi tarjota luotettavan ja nopean tiedonsiirron ilman CAN-teknologian kompleksisuutta. Siinä käytetään useimmiten kapasitiivista erotusta, mutta se voi tukea myös muuntajapohjaista erotusta. Ketjutusarkkitehtuurissa tapahtuva johdinkatkos voi kuitenkin keskeyttää tiedonsiirron, joten jotkin tällaiset ketjurakenteiset järjestelmät tarjoavat ”kiertoteitä” ja tukevat jonkin verran toimintaa johdinkatkoksen aikana.

Akunhallintajärjestelmän mikropiirejä ovat esimerkiksi:

• Analog Devices MAX17843 -BMS: MAX17843 on ohjelmoitava 12-kanavainen akun monitorointidatan keruuseen tarkoitettu rajapinta, joka tarjoaa laajat turvallisuusominaisuudet (kuva 3). Se on optimoitu käytettäväksi autojärjestelmien akkujen, HEV-akkupakettien, sähköautojen ja sellaisten järjestelmien kanssa, joissa on kytketty pinoon ladattavia metalliakkuja ja joiden jännite on enintään 48 volttia.

Kuva 3: Akkujen monitorointiin ja tiedonkeruuseen tarkoitettu 12-kanavainen rajapinta MAX17843 tarjoaa useita turvallisuusominaisuuksia, mikä tekee siitä sopivan ajoneuvosovelluksiin ja -käyttöön. (Kuvan lähde: Analog Devices)

MAX17843 sisältää huippunopean differentiaalisen UART-väylän robustia ketjurakenteista sarjaliikennettä varten. Piiri tukee jopa 32 yhteen ketjuun kytkettyä mikropiiriä (kuva 4). UART käyttää kapasitiivista erotusta, joka paitsi vähentää osakustannuksia myös parantaa vikaantumisaika-arvoja (FIT, Failure-In-Time).

Kuva 4: 12-kanavaisessa MAX17843-mikropiirissä käytetään kapasitiivista galvaanista erotusta ketjutetussa UART-konfiguraatiossa, ja se tukee jopa 32 laitetta yhdessä ketjussa. (Kuvan lähde: Analog Devices)

Analogisessa etuasteessa yhdistyvät 12-kanavainen jännitemittausdatan keruujärjestelmä ja korkeajännitteinen kytkentälohkotulo. Kaikki mittaukset tehdään differentiaalisesti kustakin kennosta. Mittausalue on kokonaisuudessaan 0–5,0 volttia sen käyttökelpoisen alueen ollessa 0,2–4,8 volttia. Huippunopeita SAR (Successive Approximation Register) -rekisteriä hyödyntäviä analogia-digitaalimuuntimia (ADC) käytetään kennojännitteiden digitointiin 14-bittisellä resoluutiolla ja ylinäytteityksellä. Kaikki kaksitoista kennoa voidaan mitata alle 142 mikrosekunnissa (μs).

MAX17843 käyttää kahden skannauksen lähestymistapaa kennomittaustulosten keruuseen ja niiden virheiden korjaamiseen, mikä tuottaa erinomaisen tarkkuuden koko käyttölämpötila-alueella. Kennon differentiaalimittauksen tarkkuudeksi on määritelty ±2 millivolttia (mV) lämpötilassa +25 °C ja jännitteellä 3,6 volttia. Analog Devices helpottaa tämän mikropiirin käyttöä suunnittelussa tarjoamalla MAX17843EVKIT#-arviointisarjan, johon kuuluu PC-pohjainen graafinen käyttöliittymä (GUI) alkuasetuksia, konfigurointia ja arviointia varten.

• Renesas ISL78714ANZ-T: Litiumioniakkujen hallintajärjestelmän mikropiiri ISL78714 valvoo jopa 14 sarjaan kytkettyä kennoa ja tarjoaa tarkan kennojännitteen ja -lämpötilan monitoroinnin, kennojen tasapainottamisen ja kattavan järjestelmädiagnostiikan. Tyypillisessä kokoonpanossa ISL78714-mastermikropiiri kommunikoi isäntämikrokontrollerin kanssa SPI (Serial Peripheral Interface) -portin kautta, ja jopa 29 muuta ISL78714-komponenttia voidaan kytkeä yhteen käyttäen robustia valmistajakohtaista kahden johdon ketjutusta (kuva 5). Tämä viestintäjärjestelmä on erittäin joustava. Siinä voidaan käyttää kondensaattorierotusta, muuntajaerotusta tai kummankin yhdistelmää jopa 1 megabitin sekuntinopeudella (Mbits/s).

Kuva 5: ISL78714 käyttää SPI-porttia useiden komponenttien linkitykseen kaksijohtoiseen ketjuun, jossa voidaan käyttää joko kapasitiivista tai muuntajaan perustuvaa erotusta. (Kuvan lähde: Renesas Electronics Corp.)

Jännitemittauksen alkutarkkuus on ±2 mV 14-bittisellä resoluutiolla 1,65–4,28 voltin alueella lämpötilojen 20 °C ja +85 °C välillä. Piirilevyn kokoonpanon jälkeen komponenttitarkkuus on erittäin hyvä ±2,5 mV kennon tuloalueella ±5,0 V (negatiivista jännitealuetta tarvitaan usein virtakiskoissa).

Tämä akunhallintajärjestelmä tarjoaa kolme kennojen tasapainotustilaa: manuaalisen tasapainotustilan, ajastetun tasapainotustilan ja automaattisen tasapainotustilan. Automaattinen tasapainotustila lopettaa tasapainotuksen, kun jokaisesta kennosta on poistettu isännän määrittelemän suuruinen varaus. Kaikkien keskeisten toimintojen integroituun järjestelmädiagnostiikkaan kuuluu vahtiajastinsammutus tiedonsiirron katkeamisen varalta.

• Texas Instruments BQ76PL455APFCR (ja BQ79616PAPRQ1): bq76PL455A on integroitu 16-kennoinen akun monitorointi- ja suojalaite, joka on suunniteltu korkeaa käyttövarmuutta edellyttäviin korkeajännitteisiin teollisuussovelluksiin. Integroitu huippunopea, differentiaalinen, kondensaattorierotettu rajapinta tukee jopa kuuttatoista bq76PL455A-laitetta. Ne kommunikoivat isännän kanssa yhden huippunopean ketjutetun UART-liitännän kautta. Ne käyttävät kierrettyä parikaapelia jopa 1 megabitin sekuntinopeudella (Mbits/s) (kuva 6).

Kuva 6: bq76PL455A on 16-kennoinen teollisuuskäyttöön tarkoitettu akunhallintamikropiiri. Siinä käytetään kapasitiivista erotusta jopa 16 kennon linkittämiseen ketjutetulla kierretyllä parikaapelilla ja jopa 1 megabitin sekuntinopeudella (Mbits/s). (Kuvan lähde: Texas Instruments)

14-bittinen analogia-digitaalimuunnin käyttää sisäistä referenssiä ja muuntaa kaikki kennolähdöt 2,4 millisekunnissa (ms). bq76PL455A monitoroi ja tunnistaa useita eri vikatiloja, kuten ylijännitteen, alijännitteen, liian korkean lämpötilan ja tietoliikenneviat. Se tukee sekä passiivista kennotasapainotusta ulkoisilla N-kanavan FET-transistoreilla että aktiivista tasapainotusta ulkoisilla kytkinmatriisi-hilaohjaimilla.

Tämä akunhallintajärjestelmä voi käsitellä helposti ketjuja, joissa kennojen määrä on alle maksimin 16. Ainoa rajoitus tällöin on, että tuloja on käytettävä nousevassa järjestyksessä siten, että kaikki käyttämättömät tulot kytketään yhteen korkeimman käytettävän VSENSE_-tulon kanssa. 13-kennoisessa mallissa ei esimerkiksi käytetä tuloja VSENSE14, VSENSE15 ja VSENSE16 (kuva 7).

Kuva 7: bq76PL455A-mikropiiriä voidaan käyttää myös alle 16 kennolla. Tällöin käyttämättömien kennotulojen tulee olla ketjun korkeimmat. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Muut mikropiirit, kuten Texas Instrumentsin bq79616PAPRQ1, tukevat rengaskonfiguraatiota ja kaksisuuntaista tiedonsiirtoa, minkä ansiosta järjestelmä voi jatkaa akkupaketin kunnon ja turvallisuuden monitorointia (kuva 8).

Kuva 8: bq79616PAPRQ1-mikropiiri tukee kaksisuuntaista rengastopologiaa ja tarjoaa näin ylimääräisen linkitysreitin johdinkatkoksen tai solmuvian sattuessa. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Jos kahden tähän kokoonpanoon kuuluvan akkua monitoroivan sovelluskohtaisen mikropiirin (ASIC) välillä on vika, katkos tai oikosulku, ohjausprosessori pystyy jatkamaan tiedonsiirtoa kaikkien akkua monitoroivien ASIC-mikropiirien kanssa vaihtamalla viestinvälityksen suuntaa taakse- ja eteenpäin. Jos siis normaalissa tiedonsiirrossa ilmenee vika, järjestelmä voi ylläpitää käytettävyyttä hyödyntämällä rengaskommunikaatio-ominaisuuden vikasietoisuutta, eikä akkumoduulien jännite- ja lämpötilatietoja menetetä. Texas Instruments tarjoaa BQ79616EVM-arviointikortin suunnittelijoille, jotka haluavat kokeilla bq79616PAPRQ1-mikropiiriä.

• Analog Devices LTC6813-1: LTC6813-1 on autoteollisuuden käyttöön hyväksytty monikennoisten akkupinojen monitori, joka mittaa jopa 18 sarjaan kytkettyä akkukennoa ja jonka kokonaismittausvirhe on alle 2,2 mV ohjelmoitavalla kohinasuodattimella varustetun 16-bittisen delta-sigma-AD-muuntimen ansiosta (kuva 9). Huomaa, että tämä kennomäärä on suurempi kuin mitä jotkut muut mikropiirit voivat suoraan tukea. Kaikki 18 kennoa voidaan mitata alle 290 mikrosekunnissa (μs). Tiedonkeruunopeutta voidaan laskea kohinan vähentämiseksi.

Kuva 9: LTC6813-1 tukee suurinta kennomäärää (18) ja käyttää 16-bittistä analogia-digitaalimuunninta (ADC) 2,2 mV:n tarkkuuden ja huippunopean kennojen skannauksen saavuttamiseksi. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Useita LTC6813-1-laitteita voidaan kytkeä sarjaan, mikä mahdollistaa pitkien, korkeajännitteisten akkuketjujen samanaikaisen kennovalvonnan. LTC6813-1 tukee kahdentyyppisiä sarjaportteja: tavallista SPI-liitäntää neljällä johtimella ja erotettua liitäntää (isoSPI) 2 johtimella . Ei-erotettu neljän johtimen portti soveltuu lyhyempien etäisyyksien linkkeihin ja joihinkin ei-ajoneuvosovelluksiin (kuva 10).

Kuva 10: LTC6813-1 tukee tavallista neljän johtimen SPI-liitäntää lyhyempien etäisyyksien linkeille ja joihinkin ei-ajoneuvosovelluksiin. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

Erotettu 1 Mbits/s:n sarjaliikenneportti käyttää yhtä ainoaa kierrettyä paria enintään 100 metrin (m) etäisyyksille. Sen herkkyys sähkömagneettisille häiriöille (EMI) ja emissioille on alhainen, sillä rajapinta on suunniteltu pitämään pakettivirhemäärä alhaisena silloinkin, jos johdotus altistuu voimakkaille RF-kentille. Tämän ketjutuksen kaksisuuntaisuus takaa tiedonsiirron myös vikatilanteissa, kuten tiedonsiirtopolulla sijaitsevan johdon katketessa

Kaksijohdinkonfiguraatiotilassa erotus saavutetaan ulkoisen muuntajan kautta, ja SPI-perussignaalit koodataan differentiaalipulsseiksi. Lähetyspulssin voimakkuus ja vastaanottimen kynnysarvo asetetaan kahdella ulkoisella vastuksella, R_B1 ja _B2 (kuva 11). Suunnittelija valitsee vastusten arvot tehden kompromissin tehohäviön ja häiriönsietokyvyn välillä.

Kuva 11: LTC6813-1 tarjoaa myös 2-johtimisen muuntajalla erotetun sarjaliikenneportin nopeudella 1 Mbit/s käyttäen yhtä kierrettyä paria enintään 100 metrin etäisyydelle. Sen EMI-herkkyys ja -emissiot ovat alhaisia. (Kuvan lähde: Analog Devices, Inc.)

LTC6813-1 voi käyttää virtalähteenä suoraan valvomaansa akkupinoa tai erillistä erotettua virtalähdettä. Se sisältää myös passiivisen tasapainotuksen kullekin kennolle sekä yksilöllisen käyttöjaksosäädön pulssinleveysmodulaation (PWM) avulla.

Yhteenveto

Yksittäisen kennon tai vain muutaman kennon sisältävän pienen akkupaketin jännitteen, virran ja lämpötilan tarkka mittaaminen ei ole mikään tekninen haaste. Näiden samojen parametrien tarkka mittaaminen yksittäisistä kennoista koostuvista sarjoista muodostuvassa ketjussa – ja vieläpä vaativissa auto- ja teollisuusolosuhteissa, joissa kennojen välinen aikaviive on häviävän pieni – on kuitenkin haastavaa kennojen suuren määrän, korkean yhteisjännitteen, sähköisen kohinan, lakisääteisten määräysten ja muiden seikkojen vuoksi.

Kuten edellä on osoitettu, suunnittelijat voivat ratkaista nämä haasteet erityisesti näihin sovelluksiin suunnitelluilla mikropiireillä. Ne tarjoavat ongelmien ratkaisemiseen tarvittavan galvaanisen erotuksen, tarkkuuden ja nopean skannausajan. Ne tuottavat siten tarkkoja ja käyttökelpoisia tuloksia, jotka mahdollistavat kriittiset, korkean tason akunhallintapäätökset.