В настоящее время системы литиевых батарей все чаще переходят на более высокую емкость и более высокие уровни напряжения, поскольку тенденция к электрификации мобильности, инструментов и промышленного оборудования продолжается. Хотя эти более высокие количества ячеек батареи и уровни напряжения отлично подходят для повышения мобильности и производительности, это означает, что технология системы управления батареями (BMS) должна развиваться, чтобы соответствовать этой тенденции. Учитывая сложность, возросшую стоимость и требования безопасности новейших электрифицированных устройств и оборудования, BMS также должна иметь большие возможности и характеристики для расширенных функций связи, измерения топлива, балансировки ячеек, синхронизации и размещения различных химических составов литиевых батарей.

Современные технологии литиевых аккумуляторов

Литиевые батареи — это устройства для хранения энергии, хранящиеся в химических веществах, которые заключены в ячейки батареи с положительным электродом (катодом) и отрицательным электродом (анодом). Литий-ионные батареи основаны на материалах со слоистой кристаллической структурой, где ионы лития могут мигрировать между слоями, известными как интеркаляционные соединения. Цикл разряда литий-ионной батареи заставляет ионы лития мигрировать от анода к катоду, что заставляет электроны двигаться в противоположном направлении от катода к аноду. Это позволяет передавать энергию для клемм батареи и электрической нагрузки. Уровень напряжения и выходной ток на клеммах литиевой батареи зависят от количества мигрирующих ионов лития. Когда уровни напряжения начинают падать, ток уменьшается, так как количество ионов лития, доступных для миграции, уменьшается.

Цикл заряда литиевой батареи работает наоборот, где индуцирование напряжения на клеммах литиевой батареи заставляет ионы лития обратить свою миграцию через электролит и повторно встроиться в отрицательный электрод. Современные литиевые батареи могут быть изготовлены из различных интеркалированных соединений для катода, наиболее распространенными из которых являются литий-ион (li-ion), литий-ионный полимер (LiPo) и литий-железо-фосфат (LiFePO4). Отрицательный электрод литиевых батарей часто представляет собой графит. Тем не менее, продолжаются эксперименты и усилия по разработке более производительных батарей с использованием различных анодных, катодных и электролитных материалов и технологий.

Учитывая высокую реактивность литиевых батарей, необходимо контролировать температуру, ток и напряжение батарей во время зарядки и разрядки. Без надлежащего контроля и мониторинга батареи литиевая батарея, даже если она изготовлена ​​из «более безопасных» или более стабильных литиевых соединений, может достичь состояния теплового разгона. Этот разгон может привести к повреждению электродов или корпуса ячейки, что может привести к неконтролируемой химической реакции, в результате которой ячейки батареи могут загореться или даже взорваться.

Многие системы литиевых батарей состоят из нескольких литиевых ячеек, соединенных последовательно для достижения более высоких уровней напряжения и параллельно для достижения более высоких уровней выходного тока. Учитывая допуски при изготовлении, неравномерное старение литиевых батарей и многие другие факторы, расхождения между напряжением батареи и характеристиками тока могут привести к нескольким возможным ухудшениям производительности или повреждению батареи. Например, если ячейка батареи соединена последовательно или параллельно с другими ячейками литиевой батареи и не работает в соответствии со спецификацией, эта ячейка может действовать как нагрузка. Это приводит к ухудшению тока потребления батареи, в то время как напряжение других ячеек может быть снижено ниже безопасного порога.

Эти расхождения объясняют, почему технология балансировки ячеек имеет решающее значение в литиевых батареях с более чем одной ячейкой. Системы, включающие мониторинг батареи, управление и балансировку ячеек, обычно известны как системы управления батареями (battery management systems, BMS). По мере того, как технология литиевых батарей совершенствовалась и становилась все более широко используемой, технология BMS также совершенствовалась, чтобы обеспечить большую безопасность, производительность и долговечность систем литиевых батарей (рисунок ниже).

Тенденции в новых системах литиевых аккумуляторов

Для многих садовых инструментов, строительных инструментов, мобильности и промышленного оборудования бензиновые и сетевые электрические системы доминировали на рынках более века. Однако разработки в области технологий литиевых батарей привели к выходу на рынок электрических инструментов с питанием от батарей для всего: от мобильности до оборудования и повседневных нужд. Примерами служат аккумуляторные электрические триммеры, воздуходувки, бензопилы, дрели, скутеры, электровелосипеды, мотоциклы/мопеды, пилы по бетону и портативные сварочные аппараты. Эти аккумуляторные электрические системы обычно изготавливаются с напряжением 20 В, 40 В, 60 В и 80 В, при этом более высокие уровни напряжения, вероятно, станут популярными.

Успех аккумуляторных инструментов и мобильных систем естественным образом приводит к еще более высокой производительности, что требует увеличения уровней напряжения, емкости и токовой способности литиевых аккумуляторных систем, питающих эти устройства. Из-за ограничений уровня напряжения ячеек литиевой технологии, увеличение количества ячеек в ряду является единственным способом достижения более высоких уровней напряжения. Извлечение слишком большого тока из литиевого элемента или сброс слишком большого тока в литиевый элемент может привести к повреждению элемента и его катастрофическому отказу. Увеличение выходной/входной токовой способности увеличит количество литиевых элементов в параллели. Поэтому для увеличения общей емкости литиевой аккумуляторной системы может потребоваться еще большее количество параллельных рядов ячеек или гораздо более высокая емкость литиевых элементов.

Интеллектуальные системы BMS выходят на новый уровень

Учитывая, что системы литиевых аккумуляторов разрабатываются с целью повышения производительности аккумуляторных электрических систем для различных сфер применения — от электромобилей и резервных электрических генераторов до автономных мобильных роботов, — технологии BMS также должны совершенствоваться, чтобы соответствовать этим новым более высоким уровням напряжения, емкости и входного/выходного тока аккумуляторных систем.

Интеллектуальная BMS Qorvo (PAC22140 /PAC25140) с интегрированным микроконтроллером (MCU) и технологией балансировки ячеек (рисунок ниже) является естественной эволюцией простой BMS, которая просто отслеживала аккумулятор и отключала зарядку, когда температура или уровень напряжения достигали неприемлемых пороговых значений. Эти новые чипы BMS могут контролировать литий-ионные, литий-полимерные и LiFePO4 аккумуляторные батареи серий 10 (10S) - 20S, включая наиболее распространенные технологии литиевых аккумуляторов. Новая BMS Qorvo включает в себя программируемый во флэш-памяти микроконтроллер Arm® Cortex®-M0 с управлением питанием, датчиками тока/напряжения/температуры, схемами управления для полевых транзисторов заряда/разряда и защитными предохранителями. Более того, эти интеллектуальные BMS также включают в себя встроенные UART/SPI, I2C/SMBus и даже CAN-коммуникацию на некоторых устройствах.

Также крайне важно оценить новые чипы BMS и ознакомиться с аспектами их программирования и управления, компания Qorvo предоставляет оценочный комплект (PAC22140EVK1 и PAC225140EVK1) для этих чипов.

Эти оценочные комплекты представляют собой комплексные аппаратные решения для оценки новых интеллектуальных устройств BMS, а также позволяют разрабатывать решения с доступом ко всем сигналам устройства и всем необходимым схемам для питания микроконтроллера и внутренних периферийных устройств. Пример такого оценочного комплекта представлен на следующем рисунке.

Заключение

Рост популярности и полезности литиевых аккумуляторных электрических систем раздвинул их границы напряжения, емкости и токовой способности. С большим количеством последовательных ячеек и более высокими ожиданиями производительности пользователя эти новые аккумуляторные электрические системы должны соответствующим образом управляться и балансироваться ячейками с помощью новейшей интеллектуальной технологии BMS. Новые интеллектуальные технологии BMS от компании Qorvo помогают разрабатывать новые решения BMS, которые дополняют существующую технологию литиевых батарей более эффективными функциями балансировки ячеек, мониторинга и защиты.

6 просмотров