Shrnutí

Integrovaný obvod BQ24259 je vysoce integrované řešení pro správu baterií vyvinuté společností Texas Instruments a určené pro účinné nabíjení a správu napájení jednočlánkových lithium-iontových baterií. Tento integrovaný obvod (IC) se vyznačuje schopností dodávat nabíjecí proud 2 A a zároveň podporuje široký rozsah vstupních napětí, takže je ideální pro různá přenosná elektronická zařízení, automobilové aplikace a chytrá zařízení internetu věcí. Všestrannost čipu BQ24259 se rozšiřuje o podporu funkcí USB On-The-Go (OTG), což umožňuje efektivní distribuci energie mezi systémem a baterií a činí jej vhodným pro zařízení, která vyžadují spolehlivou a efektivní správu napájení. Mezi klíčové vlastnosti integrovaného obvodu BQ24259 patří vysoce přesný systém sběru napětí a proudu, který zajišťuje optimální výkon a životnost baterie tím, že zabraňuje scénářům přebíjení a vybíjení. Obsahuje také pokročilá bezpečnostní opatření, jako je tepelná regulace, nadproudová ochrana a blokování vstupního podpětí, která zvyšují spolehlivost a bezpečnost procesu nabíjení. Architektura integrovaného obvodu je vybavena modulem pro úpravu signálu, který využívá plně můstkový obvod, převádějící jednosměrný proud na obousměrný, a cílovým strojem reálného času pro efektivní řízení a komunikaci mezi hardwarovými součástmi. Integrovaný obvod BQ24259 se vyznačuje rozsáhlou sadou integrovaných periferií, včetně analogově-digitálních převodníků (ADC), digitálně-analogových převodníků (DAC) a komunikačních rozhraní, jako jsou CAN (Controller Area Network) a LIN (Local Interconnect Network). Tyto funkce umožňují bezproblémovou integraci do různých řídicích modulů automobilů a pokročilých asistenčních systémů řidiče (ADAS). Jeho kvalifikace pro automobilový průmysl zajišťuje spolehlivý výkon v náročných podmínkách prostředí, což z něj činí základní kámen inovací v automobilovém elektronickém průmyslu. I přes své četné výhody není integrovaný obvod BQ24259 bez omezení. Překážky mohou představovat výzvy, jako je přesný odhad stavu nabití, škálovatelnost napříč různými chemickými skupinami baterií a složitost a cena pokročilých systémů správy baterií (BMS). Pokračující pokrok v technologiích BMS, za kterým stojí přední průmyslové firmy a značné investice do výzkumu a vývoje, však nadále zvyšuje možnosti řešení pro správu baterií, jako je BQ24259, a zajišťuje tak vysoký výkon a bezpečnost v různých aplikacích.

Přehled

BQ24259 je 2A jednočlánková nabíječka USB NVDC-1 s nastavitelným napětím řízená pomocí I2C, navržená a vyráběná společností Texas Instruments. Tento integrovaný obvod (IC) je součástí širšího katalogu řešení pro správu napájení společnosti Texas Instruments.

. Je dodáván v kompaktním pouzdře 24-VQFN a pracuje efektivně v teplotním rozsahu -40 °C až 85 °C. Integrovaný obvod BQ24259 je univerzální nabíjecí řešení, které umožňuje funkce USB On-The-Go (OTG), takže je vhodný pro různou přenosnou elektroniku, která vyžaduje spolehlivou a účinnou správu napájení. Podporuje řadu nabíjecích protokolů, což mu umožňuje přizpůsobit se různým zdrojům napájení USB a efektivně řídit distribuci energie mezi systémem a baterií. Mezi klíčové vlastnosti modelu BQ24259 patří vysoce přesný systém sběru napětí a proudu, který je nezbytný pro udržení optimálního výkonu a dlouhé životnosti baterie. Tyto funkce zajišťují, že proces nabíjení je bezpečný a efektivní, a zabraňují tak problémům, jako je přebíjení a vybíjení, které mohou snižovat životnost baterie. Součástí architektury BQ24259 je také modul úpravy signálu, který využívá obvod s plným můstkem. Tato konstrukce převádí jednosměrný proud na obousměrný, což nabíječi umožňuje vytvářet přesné analogové signály nabíjení a vybíjení bateriového systému. Cílový stroj reálného času v systému funguje jako centrum implementace softwaru, který řídí jednotlivé hardwarové komponenty a usnadňuje komunikační interakce mezi různými hardwarovými prvky.

Klíčové vlastnosti

Integrovaný obvod BQ24259 je vysoce pokročilé řešení pro správu napájení, které je navrženo tak, aby splňovalo náročné požadavky moderních elektronických zařízení. Tento integrovaný obvod (IC) je vhodný zejména pro systémy napájené z baterií a nabízí komplexní sadu funkcí, které zvyšují výkon i bezpečnost.

Integrovaná bezpečnostní opatření

Integrovaný obvod BQ24259 obsahuje robustní sadu integrovaných bezpečnostních opatření, která zajišťují spolehlivost a bezpečnost v různých provozních scénářích. Tyto funkce zahrnují přísné izolační techniky, které účinně izolují vysokonapěťové (HV) komponenty od podvozku vozidla a nízkonapěťových systémů, čímž zabraňují nechtěnému elektrickému kontaktu a úniku. Systémy nepřetržitého monitorování aktivně dohlížejí na VN síť, zda nedochází k abnormalitám, jako jsou zkraty nebo porušení izolace, což umožňuje rychlou detekci a reakci. Mechanismy rychlého vypnutí, včetně vysokorychlostních relé nebo stykačů, v případě zjištěných poruch okamžitě odpojí systém VN, čímž se minimalizuje riziko úrazu elektrickým proudem nebo požáru. Kromě toho strategicky umístěné jističe nebo pojistky chrání před nadproudovými stavy a zabraňují tepelným událostem.

.

Pokročilé periferie

Integrovaný obvod BQ24259 se může pochlubit rozsáhlou sadou periferních zařízení včetně analogově-digitálních převodníků (ADC), digitálně-analogových převodníků (DAC) a komunikačních rozhraní, jako jsou CAN (Controller Area Network) a LIN (Local Interconnect Network). Obsahuje také časovače, PWM řadiče a GPIO, což umožňuje bezproblémovou integraci do různých řídicích modulů automobilů, jako jsou systémy řízení motoru, moduly řízení karoserie a pokročilé asistenční systémy řidiče (ADAS).

.

Kvalifikace pro automobilový průmysl

Jeho kvalifikace pro automobilový průmysl zaručuje spolehlivost v náročných podmínkách prostředí, takže je vhodný pro použití ve vozidlech, kde je nejdůležitější odolnost a bezpečnost. Díky kombinaci výpočetního výkonu, periferních funkcí a spolehlivosti na úrovni automobilového průmyslu je integrovaný obvod BQ24259 základním kamenem inovací v automobilovém elektronickém průmyslu a umožňuje vývoj bezpečnějších, efektivnějších a inteligentnějších vozidel.

.

Detekce a diagnostika poruch

Integrovaný obvod BQ24259 využívá pokročilé algoritmy pro detekci závad, jako je nevyváženost buněk, nízká kapacita nebo chyby v komunikaci. Tato diagnostika pomáhá přesně určit problémy a usnadňuje údržbu, čímž zajišťuje dlouhou životnost a spolehlivost systému.

.

Energetický management

V elektrických vozidlech nebo systémech obnovitelných zdrojů energie řídí integrovaný obvod BQ24259 rychlost nabíjení a vybíjení, aby optimalizoval využití energie pro zvýšení účinnosti a prodloužení životnosti baterie. To je obzvláště důležité pro udržení výkonu lithium-iontových baterií po delší dobu.

.

Záznam a analýza dat

IC obsahuje vysoce přesné zařízení pro sběr dat, které shromažďuje analogové signály a přenáší shromážděná data do horního počítače k analýze. Tato schopnost umožňuje přesné monitorování a vyhodnocování systému řízení baterie (BMS), čímž se zvyšuje celkový výkon a spolehlivost systému řízení napájení.

.

Účinnost měniče DC-DC

Integrovaný integrovaný obvod BQ24259 je vysoce účinný DC-DC měnič určený k regulaci úrovně napětí v různých elektronických systémech. Měnič pracuje v širokém rozsahu vstupního napětí, typicky od 4,5 V do 36 V, a poskytuje stabilní výstupní napětí, často kolem 12 V, které je běžné v mnoha aplikacích. Použití synchronního usměrnění a pokročilých řídicích obvodů zajišťuje přesnou regulaci výstupního napětí, a to i při měnících se podmínkách zatížení a kolísání vstupního napětí. Měnič je navíc vybaven nadproudovou ochranou, tepelným vypnutím a blokováním vstupního podpětí, což chrání jak samotný měnič, tak připojená zařízení před možným poškozením.

.

Integrace správy napájení

Komplexní funkce správy napájení integrovaného obvodu BQ24259 zahrnují vestavěnou sekvenci kanálů, bezpečný start.

Technologické inovace

Integrovaný obvod BQ24259 představuje významný technologický pokrok, jehož cílem je zvýšit účinnost a bezpečnost systémů správy baterií (BMS). Lídři na trhu, jako jsou Texas Instruments, Analog Devices, Inc., Renesas Electronics Corporation a NXP Semiconductors, zavedli strategické iniciativy zaměřené na technologický pokrok, aby si udrželi a zvýšili svůj podíl na trhu s řešeními BMS.

. Tyto společnosti intenzivně investují do výzkumu a vývoje (R&D), aby mohly zavádět nejmodernější řešení BMS, která vyhovují vyvíjejícím se požadavkům automobilového průmyslu a zajišťují optimální výkon, bezpečnost a dlouhou životnost.

Inovace v konfiguracích bateriových sad

U lithium-železo-fosfátových (LFP) baterií byly nedávno zavedeny inovace v konfiguracích bateriových sad, jako je například konstrukce cell-to-pack a cell-to-chassis, které by měly dále zlepšit výkonnost baterií. Pokroky ve výrobě, včetně vývoje vícevrstvých elektrod, navíc umožnily velmi rychlé nabíjení. V současné době probíhají snahy o zvýšení obsahu manganu v nikl-mangan-kobaltových (NMC) i LFP bateriích, aby se buď zvýšila hustota energie při zachování nízkých nákladů (LFP), nebo snížily náklady při zachování vysoké hustoty energie (NMC).

.

Regionální konkurenceschopnost a globální konvergence

Z hlediska regionální konkurenceschopnosti jsou v současné době nejnižší ceny baterií v Číně, následuje Severní Amerika, Evropa a další asijsko-pacifické země. Ceny baterií v jednotlivých regionech se však v posledních letech sbližují, což naznačuje, že baterie pro elektrická vozidla se stávají skutečně globalizovaným produktem.

. Tato konvergence odráží rostoucí celosvětovou poptávku po elektrických vozidlech a souběžný nárůst poptávky po pokročilých systémech řízení baterií.

Klíčoví hráči a strategické iniciativy

Klíčoví hráči v ekosystému BMS, včetně společností Sensata Technologies, Inc., NXP Semiconductors, Renesas Electronics Corporation, Analog Devices, Inc. a Texas Instruments, využívají k posílení své pozice na trhu strategie, jako je uvádění produktů na trh a spolupráce.

. Celosvětový trh s BMS měl v roce 2022 hodnotu $7,5 miliardy a předpokládá se, že do roku 2032 dosáhne $41 miliardy, přičemž v letech 2023-2032 poroste složenou roční mírou růstu (CAGR) 19,1%.

Pokročilé funkce integrovaného obvodu BQ24259

Integrovaný obvod BQ24259 nabízí několik pokročilých funkcí, které přispívají k jeho vysoké účinnosti a spolehlivosti. Zahrnuje vysoce účinnou nabíječku se spínaným režimem a samostatnou napájecí cestou, kompatibilitu s nabíjením USB s volitelnými limity vstupního proudu a časovač hlídání se zajištěním mrtvé baterie (DBP) pro synchronizaci s externím USBPHI.

. Řízení napájecí cesty reguluje systém mírně nad napětím baterie a udržuje provoz i po vybití nebo vyjmutí baterie, čímž zajišťuje nepřetržitou funkčnost.

Zvýšená bezpečnost a efektivita

Integrovaný obvod BQ24259 obsahuje pokročilé řídicí obvody, které zajišťují přesnou regulaci výstupního napětí i při měnících se podmínkách zatížení a kolísání vstupního napětí. Je vybaven nadproudovou ochranou, tepelným vypnutím a blokováním vstupního podpětí, což chrání měnič i připojená zařízení před možným poškozením.

. Díky tomuto zaměření na bezpečnost a účinnost je integrovaný obvod BQ24259 vhodný pro širokou škálu průmyslových, automobilových a telekomunikačních aplikací. Tyto technologické inovace dokládají významný pokrok ve vývoji systémů pro správu baterií, jehož hybnou silou jsou přední společnosti v oboru.

Algoritmy nabíjení

Integrovaný obvod BQ24259 je vybaven pokročilým nabíjecím algoritmem, který pracuje ve třech různých fázích: přednabíjení, konstantní proud a konstantní napětí.

. Zpočátku zařízení detekuje napětí baterie a přejde do fáze předkondicionování, pokud je napětí nižší než určitá prahová hodnota. V této fázi se baterie nabíjí nízkým proudem, aby se její napětí bezpečně zvýšilo na přijatelnou úroveň pro další fázi. Ve fázi konstantního proudu poskytuje integrovaný obvod vysoký, konstantní nabíjecí proud pro rychlé nabití baterie. Tato fáze pokračuje, dokud se napětí baterie nepřiblíží k maximálnímu limitu, kdy nabíjecí algoritmus přejde do fáze konstantního napětí. Zde se nabíjecí proud postupně snižuje při zachování konstantního napětí, což zajišťuje, že baterie dosáhne plného nabití, aniž by se přebila. Zařízení BQ24259 automaticky ukončí proces nabíjení, pokud nabíjecí proud během fáze konstantního napětí klesne pod nastavený limit. Pokud napětí plně nabité baterie později klesne pod předem stanovenou mez, integrovaný obvod automaticky znovu spustí nabíjecí cyklus, aby udržel nabití baterie. Integrovaný integrovaný obvod má také několik bezpečnostních funkcí, například monitorování záporného termistoru, bezpečnostní časovač nabíjení a ochranu proti přepětí a nadproudu. Tepelná regulace je použita ke snížení nabíjecího proudu, pokud teplota přechodu překročí 120 °C, což je programovatelné podle konkrétních požadavků. Pro další zvýšení účinnosti a bezpečnosti nabíjecího procesu nabízí model BQ24259 sadu funkcí, která zahrnuje nízkoimpedanční napájecí cestu. Ta optimalizuje provoz ve spínacím režimu, což umožňuje efektivní fungování zařízení i po vybití nebo vyjmutí baterie. Funkce řízení napájecí cesty automaticky upravuje nabíjecí proud tak, aby nedocházelo k přetížení vstupního zdroje, a zajišťuje tak spolehlivý a bezpečný proces nabíjení.

Aplikace

Integrovaný obvod BQ24259 je díky svým pokročilým schopnostem správy baterií hojně využíván v různých aplikacích. Tyto aplikace zahrnují spotřební elektroniku, automobilové systémy a chytrá zařízení internetu věcí.

Spotřební elektronika

V oblasti spotřební elektroniky je integrovaný obvod BQ24259 klíčový pro zajištění bezpečného a efektivního používání lithium-iontových baterií, které jsou oblíbené pro svou vysokou energetickou hustotu a dlouhou životnost. Díky těmto vlastnostem je integrovaný obvod BQ24259 vhodný pro širokou škálu přenosné elektroniky, jako jsou chytré telefony, notebooky a digitální fotoaparáty.

. Schopnost integrovaného obvodu zvládat úlohy, jako je ochrana proti přebíjení a nadměrnému vybíjení, spolu s monitorováním proudu, zajišťuje dlouhou životnost a spolehlivost zdrojů energie těchto zařízení.

Automobilové systémy

Integrovaný obvod BQ24259 nachází uplatnění také v automobilových systémech, kde je klíčová robustní správa baterií. Mikrokontroléry pro automobilový průmysl, jako jsou například mikrokontroléry vyvinuté společností STMicroelectronics, integrují tyto integrované obvody tak, aby splňovaly přísné požadavky moderních automobilových aplikací.

. Tyto systémy vyžadují vysoký výkon a schopnost zpracování v reálném čase pro zajištění bezpečnosti a řízení automobilů, což podporuje integrovaný obvod BQ24259 řízením dodávky energie a ochranou proti elektrickým poruchám.

Chytrá zařízení IoT

Chytrá zařízení internetu věcí, včetně lékařských chytrých náplastí, bezdrátových náhlavních souprav a systémů pro sledování majetku, mají velký prospěch z efektivní správy baterie integrovaného obvodu BQ24259.

. Tyto aplikace vyžadují prodlouženou životnost a spolehlivost baterií, což IC zajišťuje prostřednictvím pokročilých systémů ochrany baterií. Nízká spotřeba energie a vysoká účinnost integrovaného obvodu jsou obzvláště výhodné v zařízeních s omezeným prostorem, kde je maximalizace životnosti baterie kritická.

Technické specifikace

Integrovaný obvod BQ24259 je vysoce integrované řešení pro správu baterií určené pro různé aplikace, včetně spotřební elektroniky, automobilů a systémů obnovitelných zdrojů energie. Tento integrovaný obvod poskytuje robustní sadu funkcí zaměřených na zajištění optimálního výkonu, bezpečnosti a dlouhé životnosti bateriových systémů.

Možnosti nabíjení baterií

Model BQ24259 podporuje širokou škálu nabíjecích funkcí, které vyhovují různým chemickým vlastnostem a konfiguracím baterií. Je vybaven obvody pro správu vstupního napájení, které dokáží usměrnit střídavé napájení z cívky bezdrátového přijímače a generovat stabilní vstupní napětí v rozmezí 2,7 až 5,5 V, což je nezbytné pro napájení plnohodnotné nabíječky baterií s konstantním proudem a napětím. Integrovaný obvod nabízí nabíjecí napětí 4,2 V nebo 4,35 V s možností volby vývodu a podporuje nabíjecí proud až 7,5 mA. Kromě toho je vybaven funkcí automatického nabíjení, sledováním teploty baterie pomocí NTC vývodu a vestavěným 6hodinovým bezpečnostním časovačem ukončení nabíjení, který zvyšuje bezpečnost a efektivitu během procesu nabíjení.

.

Ochrana proti vybití baterie

Pro ochranu akumulátoru a připojených zařízení je model BQ24259 vybaven ochranným mechanismem proti vybití akumulátoru, který odpojí akumulátor od všech zátěží, když napětí akumulátoru klesne pod 3,0 V. Tato funkce pomáhá prodloužit životnost baterie a zabraňuje stavům hlubokého vybití, které by mohly baterii poškodit.

.

Spínací frekvence a balení

Spínací frekvence nábojové pumpy BQ24259 je nastavena na 50 kHz nebo 75 kHz, což udržuje spínací šum mimo slyšitelný rozsah. Díky tomu je tento integrovaný obvod ideální pro aplikace související se zvukem, jako jsou naslouchátka a bezdrátová sluchátka. Tento integrovaný obvod je k dispozici v kompaktním, nízkoprofilovém dvanáctivodičovém pouzdře LQFN o rozměrech 2 × 2 mm, které zajišťuje malou plochu a snadnou integraci do různých návrhů. Zařízení je zaručeno pro provoz v teplotním rozsahu od -20 °C do 85 °C a splňuje specifikaci třídy E.

.

Integrace a periferie

Kromě základních funkcí správy baterií integruje BQ24259 několik periferních zařízení, která usnadňují bezproblémovou integraci do různých elektronických systémů. Například jeho analogově-digitální převodníky (ADC), digitálně-analogové převodníky (DAC) a komunikační rozhraní, jako je CAN (Controller Area Network) a LIN (Local Interconnect Network), umožňují propojení s různými řídicími moduly automobilů, včetně systémů řízení motoru a pokročilých asistenčních systémů řidiče (ADAS).

.

Regulace a ochrana napětí

Model BQ24259 je navržen s důrazem na účinnost a spolehlivost. Využívá synchronní usměrnění, což je technika, která minimalizuje ztráty energie při konverzi napětí. Jeho pokročilé řídicí obvody zajišťují přesnou regulaci výstupního napětí, a to i při měnících se podmínkách zatížení a kolísání vstupního napětí. Integrovaný obvod také obsahuje nadproudovou ochranu, tepelné vypnutí a funkce blokování vstupního podpětí, které chrání integrovaný obvod i připojená zařízení před možným poškozením.

. Díky integraci těchto komplexních funkcí je integrovaný obvod BQ24259 univerzálním a spolehlivým řešením pro širokou škálu aplikací správy baterií, které zajišťují vysoký výkon a bezpečnost v různých průmyslových odvětvích.

Konfigurace pinů

Integrovaný obvod BQ24259 je vybaven 24pinovým pouzdrem VQFN s odkrytou tepelnou podložkou pro lepší odvod tepla.

.

VBUS

Piny 1, 24 (P): Vstupní napěťový kolík nabíječky je připojen k internímu n-kanálovému reverznímu blokovému tranzistoru MOSFET (RBFET) mezi VBUS a PMID s VBUS na zdroji. Doporučuje se umístit keramický kondenzátor 1µF z VBUS na PGND, umístěný co nejblíže k IC.

.

PSEL

Pin 2 (I): Tento pin slouží jako vstup pro výběr zdroje napájení. Vysoký signál indikuje hostitelský zdroj USB, zatímco nízký signál indikuje zdroj adaptéru.

. Ponechání kolíku PSEL v plovoucím stavu by mohlo vést k omezení proudu při spuštění na 500 mA nebo 3 A, což může vést k nežádoucímu chování, pokud není omezení vstupního proudu naprogramováno ručně pro každý adaptér nebo zástrčku USB.

PG

Pin 3 (O): Aktivní indikátor dobrého napájení s otevřeným průchodem. Pokud je připojen k pull-up liště přes 10 kΩ rezistor, nízký signál indikuje dobré připojení.

.

CE

Pin 9 (I): Kolík Charge Enable je aktivní. Nabíjení baterie je povoleno, když je REG01[5:4] = 01 a pin CE je nízký. Pro správnou funkčnost musí být pin CE buď vytažený na vysokou, nebo na nízkou úroveň.

.

ILIM

Pin 10 (I): Vývod ILIM nastavuje maximální limit vstupního proudu regulací napětí ILIM na 1 V. Rezistor připojený od kolíku ILIM k zemi nastavuje maximální limit jako IINMAX = (1V/RILIM) × KILIM. Skutečný limit vstupního proudu je nižší z hodnot nastavených pomocí ILIM a I2C REG00[2:0]. Minimální vstupní proud naprogramovaný na pinu ILIM je 500 mA.

.

TS

Pin 11 (I): Jedná se o vstupní napěťový kolík pro teplotní kvalifikaci. Měl by být připojen k termistoru se záporným teplotním koeficientem (NTC). Teplotní okno se programuje pomocí odporového děliče z REGN na TS na GND. Nabíjení je pozastaveno nebo je funkce Boost vypnuta, když je pin TS mimo rozsah. Doporučuje se termistor 103AT-2

.

QON

Pin 12 (I): Tento pin ovládá funkci povolení BATFET v přepravním režimu. Přechod logické úrovně low na high na tomto pinu s minimální úrovní high 2 ms zapne BATFET a ukončí režim přepravy.

. Má interní pull-down rezistor 1MΩ (typ).

BAT

Kolíky 13, 14 (P): Tyto kolíky jsou body připojení baterie ke kladnému kolíku akumulátoru. Mezi BAT a SYS je připojen interní BATFET. Pro optimální výkon se doporučuje připojit kondenzátor 10 µF těsně k vývodům BAT.

. Tato konfigurace poskytuje komplexní kontrolu nad procesem správy a nabíjení baterie a zajišťuje bezpečný a efektivní provoz.

Typické aplikační obvody

Integrovaný obvod BQ24259 je díky své vysoké účinnosti a pokročilým nabíjecím funkcím široce používán v různých aplikacích. Jednou z typických aplikací jsou systémy správy baterií pro přenosná elektronická zařízení. Zařízení podporuje vysoce účinnou nabíječku s přepínacím režimem 2 A s jedním vstupem kompatibilním s USB, která je schopna nabíjet vstupní napětí 3,9 V až 6,2 V a nabízí ochranu proti přepětí 6,4 V

. Díky tomu je vhodný pro zařízení, která vyžadují spolehlivé a bezpečné nabíjení. V nositelných zařízeních, jako jsou lékařské chytré náplasti a bezdrátové náhlavní soupravy, je obzvláště výhodná schopnost BQ24259 řídit nabíjení baterie autonomně bez softwarového řízení. Integrovaný obvod dokáže automaticky detekovat napětí baterie a řídit nabíjecí cyklus prostřednictvím tří různých fází: přednabíjení, konstantní proud a konstantní napětí. Na konci nabíjecího cyklu automaticky ukončí nabíjení, pokud proud ve fázi konstantního napětí klesne pod nastavenou mez. Pokud napětí baterie později klesne pod mezní hodnotu dobíjení, nabíječka automaticky zahájí další nabíjecí cyklus. Nabíječka BQ24259 obsahuje řadu bezpečnostních funkcí, které zajišťují spolehlivý provoz, například monitorování záporného termistoru, bezpečnostní časovač nabíjení a ochranu proti přepětí/nadproudu. Klíčovou funkcí je také tepelná regulace, která snižuje nabíjecí proud, když teplota spoje překročí 120 °C, což je programovatelné. Výstup STAT integrovaného obvodu hlásí stav nabíjení a poruchové stavy, zatímco pin INT okamžitě informuje hostitele o jakékoli poruše, což zvyšuje bezpečnost systému a možnosti monitorování. Kromě toho je integrovaný obvod BQ24259 k dispozici v kompaktním 24pinovém tenkém pouzdře VQFN o rozměrech 4 × 4 mm², takže je ideální pro aplikace s omezeným prostorem. Jeho integrace komunikace I2C umožňuje optimální výkon systému a hlášení stavu, takže je univerzální pro různé aplikace napájené z baterií.

Výhody

Investice do technologie systému řízení baterií (BMS) nabízí řadu konkurenčních výhod, zejména v oblasti výkonu a bezpečnosti výrobků, které jsou v souladu s celosvětovým tlakem na řešení čisté energie. Tento trend zaujal jak zavedené výrobce, tak nové investory, kteří chtějí využít nově vznikajících tržních příležitostí a přispět k zelenější budoucnosti.

. Jednou z hlavních výhod integrovaného přístupu k ochraně baterií je komplexní ochrana, kterou nabízí. Akumulátor na vstupní straně může být chráněn jak před nadměrným vybitím, tak před přebitím, pokud je nabíječka akumulátoru připojena na výstupní straně spínače. Tento přístup nejenže snižuje počet součástek, ale také výrazně šetří místo, takže je ideální pro pokročilá nositelná zařízení, připojené lékařské přístroje a další aplikace s omezenými rozměry. Další významnou výhodou je flexibilita, protože inženýři obvykle musí navrhovat a kvalifikovat samostatné desky a kusovníky pro každou různou konfiguraci modulu. MAX17853 je pozoruhodný tím, že jako jediný integrovaný obvod (IC) v oboru podporuje více konfigurací kanálů (8 až 14 článků) s jednou deskou. Tato schopnost umožňuje inženýrům zkrátit dobu návrhu až o 50% díky snížení úsilí při validaci a kvalifikaci. Neustálé inovace v bateriových technologiích vedly k pokroku v široké škále výrobků, od přenosných přístrojů až po elektromobily. Řešení pro správu baterií (BMS), podporovaná monitorovacími integrovanými obvody, nejsou pouze opatřeními pro úsporu nákladů, ale slouží jako skuteční strážci skladování energie. Optimalizují prostor, prodlužují životnost baterií a zvyšují bezpečnostní standardy sledováním klíčových parametrů, jako je stav nabití (SOC), zdravotní stav (SOH) a řízení proudu v reálném čase. Pokrok v oblasti baterií navíc výrazně zlepšil jejich účinnost, což umožňuje výrobkům poskytovat vyšší výkon v poměru k jejich velikosti a hmotnosti. Tato účinnost je patrná z vývoje od objemných autobaterií ke kompaktním lithium-iontovým bateriím, které jsou dostatečně malé, aby se vešly do dlaně, a dostatečně lehké, aby vážily jen několik kilogramů. Dohromady tyto pokroky v technologii BMS zajišťují spolehlivost a bezpečnost vysokonapěťových systémů elektrických a hybridních vozidel v různých provozních scénářích. Zavedení robustních bezpečnostních opatření pomáhá minimalizovat riziko vzniku nebezpečných situací a chrání tak cestující, záchranáře i okolostojící.

Omezení

Systémy řízení baterií (BMS) jsou klíčové pro optimalizaci výkonu, bezpečnosti a životnosti baterií, ale potýkají se s několika přirozenými omezeními. Hlavním z nich je problém přesného odhadu stavu nabití (SOC), který je komplikován faktory, jako jsou kolísání teploty, stárnutí baterie a různá rychlost vybíjení. Dosažení přesného odhadu SOC zůstává kritickou oblastí výzkumu.

. Pokročilé systémy BMS, které obsahují funkce, jako je vyvažování článků a detekce poruch, jsou navíc složité a nákladné, což může omezit jejich použití v aplikacích citlivých na náklady. Kromě toho představuje překážku škálovatelnost mezi různými chemickými skupinami a konfiguracemi baterií, což vyžaduje řešení na míru. Obavy o spolehlivost jsou také velké, protože selhání BMS může vést ke škodlivým důsledkům, jako je přebíjení nebo nedostatečné nabíjení, což ohrožuje životnost a bezpečnost baterií. Navzdory těmto výzvám se pokrok v oblasti integrovaných obvodů, jako je MAX17853, ukazuje jako slibný způsob řešení některých omezení. Tento integrovaný obvod podporuje konfigurace více kanálů s jednou deskou, což výrazně zkracuje dobu návrhu a kvalifikace. Navíc obsahuje pokročilé systémy vyvažování článků baterie, které automaticky vyvažují každý článek podle času a napětí, aby se minimalizovalo riziko přebití, což zvyšuje celkovou bezpečnost systému bez nutnosti použití dalších komponent.

Srovnání s jinými integrovanými obvody

Integrovaný obvod BQ24259 je součástí širší kategorie integrovaných obvodů pro řízení spotřeby (PMIC), které jsou nezbytné pro řízení toku a směru elektrické energie v různých zařízeních. Tyto integrované obvody mají zásadní význam, protože pomáhají řídit více vnitřních napětí a zdrojů externího napájení, čímž zajišťují lepší účinnost konverze, menší rozměry řešení a lepší odvod tepla.

.

Integrované obvody palivoměrů společnosti Maxim Integrated

V srpnu společnost Maxim Integrated představila integrované obvody palivoměrů, konkrétně MAX17301 a MAX17311, které údajně nabízejí nejvíce konfigurovatelných nastavení pro bezpečnost baterií v oboru. Tyto integrované obvody mohou jemně nastavit prahové hodnoty napětí a proudu na základě různých teplotních zón a jsou vybaveny sekundárním ochranným schématem, které trvale vyřadí baterii z provozu při závažných poruchových stavech.

. I když je integrovaný obvod BQ24259 robustní, nemusí nabízet stejnou úroveň konfigurovatelnosti a možností sekundární ochrany, jakou nabízí nejnovější produkty společnosti Maxim Integrated.

Integrované obvody pro monitorování vícečlánkových baterií

Vícečlánkové integrované obvody přední části baterií společnosti Renesas razí cestu vysokonapěťovým aplikacím díky pečlivému monitorování parametrů, jako je napětí na svorkách a teplota, a optimalizují tak výkon baterií.

. V porovnání s těmito integrovanými obvody pro monitorování vícečlánkových baterií je integrovaný obvod BQ24259 obvykle vhodný pro jednočlánkové aplikace a nemusí poskytovat rozsáhlé monitorovací funkce požadované pro vysokonapěťové nebo vícečlánkové sestavy.

Řešení Texas Instruments a Analog Devices

Společnost Texas Instruments nabízí řadu integrovaných obvodů včetně těch s pasivními i aktivními vyvažovacími funkcemi. Například jejich zařízení Maxim Integrated od společnosti Linear Technology poskytují vysoce přesná zařízení pro sběr a přenos analogových signálů, která mají zásadní význam pro systémy správy baterií (BMS).

. Integrovaný obvod BQ24259, vyvinutý společností Texas Instruments, má stejnou schopnost sběru dat s vysokou přesností, ale je určen spíše pro jednoduché úlohy správy baterií než pro pokročilé vyvažování, které poskytují některé z jejich dalších nabídek.

Techniky měření s vysokým rozlišením

Integrovaný obvod BQ24259 lze také porovnat s konstrukcemi využívajícími ADC s vysokým rozlišením pro měření proudu, které nabízejí velké dynamické rozsahy na úkor rychlosti. To je důležité zejména v případě nestálého zatížení, například v elektrických vozidlech, kde jsou běžné proudové špičky o vysokých hodnotách a frekvencích.

. IC BQ24259 se sice nevyrovná přesnosti ADC s vysokým rozlišením, ale zůstává cenově výhodným řešením pro méně náročné aplikace.

Vývojové nástroje

Vývojové nástroje pro integrovaný obvod BQ24259 hrají klíčovou roli při navrhování, testování a optimalizaci systémů řízení baterií (BMS). Tyto nástroje zahrnují jak hardwarové vyhodnocovací sady, tak softwarové platformy, které inženýrům umožňují vyhodnocovat výkon, sledovat funkce a efektivně integrovat integrovaný obvod do různých aplikací.

Vyhodnocovací sady hardwaru

Hardwarové vyhodnocovací sady poskytují komplexní řešení pro vyhodnocení nových inteligentních zařízení BMS. Tyto sady obsahují všechny potřebné obvody pro napájení mikrokontroléru (MCU) a interních periferií, což inženýrům zajišťuje přístup ke všem signálům zařízení pro důkladné vyhodnocení.

. Tyto sady jsou důležité pro vývoj řešení, která rozšiřují současnou technologii lithiových baterií o účinné funkce vyvažování, monitorování a ochrany článků.

Modularita a propojení

Softwarová architektura BMS je postavena na modulárním konstrukčním paradigmatu, kde různé funkční jednotky, jako je monitorování buněk, řízení teploty, odhad stavu a komunikační rozhraní, fungují jako samostatné moduly. Tyto moduly komunikují prostřednictvím přesně definovaných kanálů, což umožňuje bezproblémovou výměnu dat a koordinaci. Tato modularita zvyšuje flexibilitu návrhu systému a usnadňuje integraci nových funkcí nebo aktualizací.

.

Centralizované řízení a monitorování

Na celý provoz BMS dohlíží centralizovaná řídicí jednotka nebo hlavní modul. Shromažďuje data z jednotlivých modulů, zpracovává informace pomocí algoritmů pro odhad stavu a detekci poruch a vydává příkazy k nápravným opatřením. Tento centralizovaný přístup optimalizuje výkon systému a zajišťuje konzistentní provoz za různých podmínek.

.

Komunikační protokoly

Spolehlivý přenos dat mezi moduly zajišťují robustní komunikační protokoly, jako je například Controller Area Network (CAN). Tyto protokoly definují struktury zpráv, mechanismy pro zpracování chyb a časová omezení, čímž udržují integritu dat v celém systému.

.

Segmentace hardwaru a softwaru

Hardwarová část BMS zahrnuje hlavní desku, podřízenou desku, sadu baterií, vysokorychlostní napěťové zařízení, zařízení se zdrojem proudu a cílový stroj reálného času. Na straně softwaru je rozčleněno sedm různých modulů, včetně řízení spouštění, modelu baterie, řízení virtuální baterie, řízení zdroje proudu, interakce s daty BMS, aktualizace signálů a konfigurace portů. Model baterie primárně reguluje výstupy analogových signálů, zatímco modul virtuálního řízení baterie převádí výpočty modelu na data rozpoznatelná hardwarovou komponentou

.

Historický vývoj

Historický vývoj integrovaného obvodu BQ24259 má své kořeny v širším vývoji systémů správy baterií (BMS) a integrovaných obvodů pro správu napájení (PMIC). Dřívější pokroky v technologiích správy baterií byly zaměřeny především na zvýšení účinnosti a bezpečnosti systémů napájených z baterií. Tyto pokroky byly vyvolány rostoucí poptávkou po přenosných přístrojích, elektrických vozidlech a dalších zařízeních závislých na bateriích.

. Na vývoji řešení BMS se významně podíleli různí klíčoví hráči v oboru, včetně společností Texas Instruments, Analog Devices, Inc. a NXP Semiconductors. Tyto společnosti investovaly značné prostředky do výzkumu a vývoje, aby představily špičková řešení BMS, která by mohla splnit vyvíjející se požadavky automobilového průmyslu a odvětví spotřební elektroniky. Inovace v oblasti integrovaných obvodů pro monitorování baterií, jejichž hodnota v roce 2021 dosáhla přibližně 1,6 miliardy US$ a do roku 2031 se předpokládá, že dosáhne 4,8 miliardy US$, zdůraznily klíčovou roli, kterou tyto komponenty hrají při optimalizaci životnosti a výkonu baterií. Počátkem roku 2020 se trh s BMS vyvinul tak, aby zahrnoval sofistikované algoritmy a funkce zaměřené na prodloužení životnosti baterií a zajištění bezpečnosti. Patřilo k nim monitorování stavu nabití (SOC) a stavu zdraví (SOH), řízení proudu v reálném čase a zařízení pro účinnou konverzi energie. Integrovaný obvod BQ24259, vyvinutý v rámci tohoto inovativního prostředí, využil tyto technologické pokroky k tomu, aby nabídl vysoce přesné řešení regulace napětí a maximalizoval kapacitu baterie při současném snížení složitosti konstrukce a nákladů. Pokračující pokrok v technologiích BMS a PMIC, podporovaný strategickými partnerstvími a značnými investicemi do výzkumu a vývoje, nadále formuje vývoj a zdokonalování řešení pro správu baterií, jako je integrovaný obvod BQ24259. Tato historická trajektorie zdůrazňuje zásadní význam neustálých inovací při řešení komplexních požadavků moderních systémů napájených z baterií.