Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2017
Tim Regan
Electronic Design
Проблемы окружающей среды стимулируют разработку экологически чистых транспортных альтернатив. Наиболее популярны автомобили с полностью электрическими и гибридными двигателями, в которых в качестве источников электрической энергии используются литий-ионные аккумуляторные батареи. Эффективная и долговременная работа аккумуляторов требует постоянного контроля величины доступного заряда каждой ячейки, известной как SOC (state of charge - состояние заряда). Важным параметром для расчета SOC является температура ячеек.
Жесткие условия эксплуатации автомобильного оборудования также создают множественные предпосылки для неисправностей. Чрезмерная перегрузка аккумуляторных батарей (а в худшем случае их короткое замыкание) может привести к опасному перегреву, что требует постоянного внимания. Однако для простого обеспечения безопасности и обнаружения неисправностей высокая точность измерений температуры часто не требуется.
Для решения этой задачи подходят специализированные системы на кристалле, контролирующие состояние аккумуляторных батарей. Одним из примеров таких приборов является выпускаемая Linear Technology микросхема LTC6802. Основное назначение устройства, помимо базовых функций обеспечения безопасных условий эксплуатации, заключается в измерении напряжений на ячейках, максимальное количество которых равно 12, и передаче данных в управляющий контроллер для вычислений SOC.
|
||||||
| Рисунок 1. | Состояние заряда аккумулятора в этом термисторном датчике температуры оценивается с помощью микросхемы LTC6802 (а). Зависимость входного напряжения АЦП от температуры приведена для случая использования компонентов со значениями номиналов, указанными в схеме на Рисунке 1а (б). |
|||||
Устройство содержит 12-битный дельта-сигма аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с предшествующим ему 15-канальным мультиплексором. 12 каналов используются для измерения напряжений двенадцати ячеек, а три - для температурных измерений. Один из температурных каналов выделен специально для измерения температуры кристалла, а к двум подключаются внешние датчики. Примеры схем, измеряющих температуру с помощью LTC6802, включают точный датчик на основе термистора для вычислений SOC (Рисунок 1а) и простой диодный детектор «горячих точек» (Рисунок 2а).
|
||||||
| Рисунок 2. | Цепочка диодов и микросхема LTC6802 образуют простой датчик температуры «горячей точки» (а). Работа схемы иллюстрируется зависимостью падения напряжения на диодной цепочке от температуры элемента (б). |
|||||
При низких температурах внутреннее сопротивление литий-ионных ячеек увеличивается, а количество энергии, которую может отдать батарея между состояниями полного заряда (напряжение на элементе, в типичном случае, 4.2 В) до полного разряда (напряжение на элементе равно 2.5 В), уменьшается. При высоких рабочих температурах увеличивается ток саморазряда элементов, становясь важным фактором при расчете SOC. В большинстве систем параметры элементов батареи подробно табулированы для ряда значений температуры. Эта информация хранится в поисковой таблице и совместно с данными измерений напряжений элементов используется для расчета SOC. Дешевым, но достаточно точным измерителем температуры может служить термистор, присоединенный к аккумуляторной батарее.
Чтобы сгладить характер зависимости сопротивления от температуры, на Рисунке 1а параллельно термистору с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) включен обычный резистор. Зависимость сопротивления термисторов от температуры крайне нелинейна и описывается экспоненциальной функцией:
где
R0 - номинальное сопротивление при опорной температуре T0 (в градусах Кельвина),
B - константа, характеризующая конкретный термистор.
Однако во многих случаях допустимо простое приближение. Например, можно считать, что в ограниченном диапазоне температур сопротивление NTC термистора меняется примерно на -4% на °C.
Микромощный операционный усилитель LT6001 с током потребления 13 мкА обеспечивает термистор опорным напряжением, а также масштабирует и сдвигает напряжение, поддаваемое на вход АЦП измерения температуры микросхемы LTC6802. Устройство содержит источник опорного напряжения 3.072 В и стабилизатор напряжения 5 В.
Установленный диапазон выходных напряжений составляет примерно от 0.2 В до 4.2 В в температурном интервале от -20 °C до 60 °C, типичном для большинства литий-ионных элементов. Средняя крутизна преобразования равна 50 мВ/°C, что дает более 30 отсчетов АЦП на изменение температуры в один градус. График на Рисунке 1б показывает зависимость входного напряжения АЦП от температуры при использовании номиналов компонентов, указанных на схеме.
Простым и дешевым способом предупреждения о появлении точки локального перегрева может служить цепочка диодов, распределенная по аккумуляторной системе (Рисунок 2а). Но это предупреждение означает лишь то, что где-то в системе произошел перегрев. Точное местоположение проблемы неизвестно, однако в интересах безопасности система может быть отключена для проведения дальнейшей диагностики.
Каждый диод, смещенный от одного общего источника, будет иметь обычный температурный коэффициент -2 мВ/°C. Величина напряжения, измеряемого на цепочке диодов, будет определяться самым горячим диодом с наименьшим прямым падением напряжения. В такой схеме можно использовать любое количество диодов.
Встроенный АЦП имеет разрешение 1.5 мВ на отсчет. Уменьшение выходного кода АЦП на 150 отсчетов относительно штатного режима указывает на наличие горячей точки с температурой, повышенной на 75 °C. На Рисунке 2б представлен график зависимости от температуры аккумуляторного элемента напряжения, падающего на диодной цепочке, в которой перегреву подвергается только один диод. Температура остальных трех диодов остается равной 20 °C.
Купить LT6001 на РадиоЛоцман.Цены
