Резюме

ИС BQ24259 - это высокоинтегрированное решение для управления аккумуляторами, разработанное компанией Texas Instruments и предназначенное для эффективной зарядки и управления питанием одноячеечных литий-ионных аккумуляторов. Эта интегральная схема (ИС) отличается способностью обеспечивать зарядный ток 2А при поддержке широкого диапазона входных напряжений, что делает ее идеальным решением для различных портативных электронных устройств, автомобильных приложений и интеллектуальных IoT-устройств. Универсальность BQ24259 распространяется и на поддержку функций USB On-The-Go (OTG), обеспечивая эффективное распределение энергии между системой и аккумулятором, что делает его подходящим для устройств, требующих надежного и эффективного управления питанием. Ключевые особенности ИС BQ24259 включают в себя высокоточные системы сбора данных о напряжении и токе, которые обеспечивают оптимальную производительность и долговечность батареи, предотвращая сценарии перезаряда и разряда. Кроме того, в ней реализованы такие передовые меры безопасности, как терморегулирование, защита от перегрузки по току и блокировка пониженного напряжения на входе, которые повышают надежность и безопасность процесса зарядки. Архитектура ИС включает в себя модуль формирования сигнала, использующий полномостовую схему, преобразующую однонаправленный ток в двунаправленный, и целевую машину реального времени для эффективного управления и связи между аппаратными компонентами. ИС BQ24259 отличается обширным набором интегрированной периферии, включая аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и коммуникационные интерфейсы, такие как CAN (Controller Area Network) и LIN (Local Interconnect Network). Эти характеристики обеспечивают беспрепятственную интеграцию в различные автомобильные модули управления и передовые системы помощи водителю (ADAS). Квалификация по автомобильному классу обеспечивает надежную работу в жестких условиях окружающей среды, что делает ее краеугольным камнем для инноваций в индустрии автомобильной электроники. Несмотря на многочисленные преимущества, ИС BQ24259 не лишена ограничений. Такие проблемы, как точная оценка состояния заряда, масштабируемость для различных химических составов батарей, а также сложность и стоимость передовых систем управления батареями (BMS), могут стать препятствиями. Однако постоянный прогресс в технологиях BMS, обусловленный лидерами отрасли и значительными инвестициями в НИОКР, продолжает расширять возможности решений для управления батареями, таких как BQ24259, обеспечивая высокую производительность и безопасность в различных приложениях.

Обзор

BQ24259 - это управляемое по интерфейсу I2C одноячее зарядное устройство USB NVDC-1 с регулируемым напряжением 2A, разработанное и произведенное компанией Texas Instruments. Эта интегральная схема (ИС) является частью широкого каталога решений Texas Instruments в области управления питанием.

. Она выполнена в компактном корпусе 24-VQFN и эффективно работает в диапазоне температур от -40°C до 85°C. ИС BQ24259 представляет собой универсальное решение для зарядки, которое поддерживает функции USB On-The-Go (OTG), что делает ее подходящей для различной портативной электроники, требующей надежного и эффективного управления питанием. Она поддерживает ряд протоколов зарядки, что позволяет ей адаптироваться к различным источникам питания USB и эффективно управлять распределением энергии между системой и аккумулятором. К ключевым особенностям BQ24259 относятся высокоточные системы сбора данных о напряжении и токе, которые необходимы для поддержания оптимальной производительности и долговечности батареи. Эти функции обеспечивают безопасный и эффективный процесс зарядки, предотвращая такие проблемы, как перезаряд и разряд, которые могут сократить срок службы батареи. Архитектура BQ24259 также включает модуль формирования сигнала, в котором используется полномостовая схема. Эта схема преобразует однонаправленный ток в двунаправленный, что позволяет зарядному устройству формировать точные аналоговые сигналы заряда и разряда аккумуляторной системы. Целевая машина реального времени в системе выступает в качестве центра реализации программного обеспечения, управляя каждым аппаратным компонентом и обеспечивая коммуникационное взаимодействие между различными аппаратными элементами.

Основные характеристики

ИС BQ24259 - это передовое решение для управления питанием, разработанное с учетом жестких требований, предъявляемых к современным электронным устройствам. Эта интегральная схема (ИС) особенно подходит для систем с батарейным питанием, предлагая полный набор функций, которые повышают производительность и безопасность.

Комплексные меры безопасности

ИС BQ24259 включает в себя надежный набор встроенных мер безопасности, призванных обеспечить надежность и безопасность при различных сценариях эксплуатации. Эти меры включают в себя строгие технологии изоляции, которые эффективно изолируют высоковольтные (HV) компоненты от шасси и низковольтных систем автомобиля, тем самым предотвращая непреднамеренный электрический контакт и утечку. Системы непрерывного мониторинга активно следят за сетью высокого напряжения на предмет таких аномалий, как короткое замыкание или нарушение изоляции, обеспечивая быстрое обнаружение и реагирование. Механизмы быстрого отключения, включая быстродействующие реле или контакторы, оперативно отключают систему ОВ в случае обнаружения неисправностей, сводя к минимуму риск поражения электрическим током или возгорания. Кроме того, стратегически расположенные автоматические выключатели или предохранители защищают от перегрузки по току, предотвращая тепловые инциденты.

.

Передовые периферийные устройства

ИС BQ24259 обладает обширным набором периферийных устройств, включая аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и коммуникационные интерфейсы, такие как CAN (Controller Area Network) и LIN (Local Interconnect Network). Кроме того, в комплект входят таймеры, ШИМ-контроллеры и GPIO, что обеспечивает беспрепятственную интеграцию в различные автомобильные модули управления, такие как системы управления двигателем, модули управления кузовом и передовые системы помощи водителю (ADAS).

.

Квалификация автомобильного класса

Квалификация по автомобильному классу обеспечивает надежность в жестких условиях окружающей среды, что делает ее пригодной для использования в автомобилях, где долговечность и безопасность имеют первостепенное значение. Благодаря сочетанию вычислительной мощности, периферийных функций и надежности автомобильного класса ИС BQ24259 является краеугольным камнем инноваций в автомобильной электронной промышленности, способствуя разработке более безопасных, эффективных и "умных" транспортных средств.

.

Обнаружение неисправностей и диагностика

ИС BQ24259 использует передовые алгоритмы для обнаружения неисправностей, таких как дисбаланс ячеек, низкая емкость или ошибки связи. Такая диагностика помогает выявить проблемы и облегчить техническое обслуживание, обеспечивая долговечность и надежность системы

.

Управление энергией

В электромобилях или системах возобновляемой энергии ИС BQ24259 управляет скоростью зарядки и разрядки для оптимизации энергопотребления с целью повышения эффективности и продления срока службы батареи. Это особенно важно для поддержания работоспособности литий-ионных батарей в течение длительного времени

.

Регистрация и анализ данных

ИС включает в себя высокоточное оборудование для сбора аналоговых сигналов и передачи собранных данных на верхний компьютер для анализа. Эта возможность позволяет точно контролировать и оценивать работу системы управления аккумулятором (BMS), повышая общую производительность и надежность системы управления питанием.

.

Эффективность DC-DC преобразователя

ИС BQ24259 представляет собой высокоэффективный DC-DC-преобразователь, предназначенный для регулирования уровня напряжения в различных электронных системах. Преобразователь работает в широком диапазоне входного напряжения, обычно от 4,5 В до 36 В, и обеспечивает стабильное выходное напряжение, часто около 12 В, что характерно для многих приложений. Использование синхронного выпрямления и усовершенствованной схемы управления обеспечивает точное регулирование выходного напряжения даже при изменяющихся условиях нагрузки и колебаниях входного напряжения. Кроме того, преобразователь оснащен защитой от перегрузки по току, тепловым отключением и блокировкой входного напряжения, что предохраняет как сам преобразователь, так и подключенные к нему устройства от возможных повреждений.

.

Интеграция управления питанием

Широкие возможности управления питанием ИС BQ24259 включают встроенную последовательность каналов, безопасный запуск

Технологические инновации

ИС BQ24259 воплощает в себе значительные технологические достижения, призванные повысить эффективность и безопасность систем управления аккумуляторами (BMS). Лидеры рынка, такие как Texas Instruments, Analog Devices, Inc., Renesas Electronics Corporation и NXP Semiconductors, реализуют стратегические инициативы, ориентированные на технологический прогресс, чтобы сохранить и увеличить свою долю на рынке решений BMS.

. Эти компании вкладывают значительные средства в исследования и разработки (R&D), чтобы внедрять передовые решения BMS, которые отвечают меняющимся требованиям автомобильного сектора, обеспечивая оптимальную производительность, безопасность и долговечность.

Инновации в конфигурациях батарейных блоков

Недавние инновации в конфигурации батарейных блоков, такие как конструкция "элемент в элемент" и "элемент в шасси", были приняты для литий-железо-фосфатных (LFP) батарей и, как ожидается, еще больше улучшат их характеристики. Кроме того, достижения в области производства, включая разработку многослойных электродов, позволили обеспечить сверхбыструю зарядку. В настоящее время ведутся работы по увеличению содержания марганца в никель-марганец-кобальтовых (NMC) и LFP-батареях, чтобы либо повысить плотность энергии при сохранении низкой стоимости (LFP), либо снизить стоимость при сохранении высокой плотности энергии (NMC).

.

Региональная конкурентоспособность и глобальная конвергенция

С точки зрения региональной конкурентоспособности, самые низкие цены на аккумуляторы в настоящее время наблюдаются в Китае, за которым следуют Северная Америка, Европа и другие страны Азиатско-Тихоокеанского региона. Однако в последние годы цены на батареи в разных регионах сближаются, что свидетельствует о том, что батареи для электромобилей (EV) становятся по-настоящему глобализированным продуктом.

. Эта конвергенция отражает растущий глобальный спрос на электромобили и параллельный рост спроса на передовые системы управления батареями.

Ключевые игроки и стратегические инициативы

Ключевые игроки в экосистеме BMS, включая Sensata Technologies, Inc., NXP Semiconductors, Renesas Electronics Corporation, Analog Devices, Inc. и Texas Instruments, используют такие стратегии, как запуск продуктов и сотрудничество, для укрепления своих позиций на рынке.

. Мировой рынок BMS оценивался в $7,5 млрд в 2022 году и, по прогнозам, достигнет $41 млрд к 2032 году, увеличиваясь с совокупным годовым темпом роста (CAGR) 19,1% с 2023 по 2032 год.

Дополнительные возможности ИС BQ24259

ИС BQ24259 обладает рядом передовых функций, которые способствуют ее высокой эффективности и надежности. Она включает в себя высокоэффективное зарядное устройство с коммутируемым режимом и отдельным трактом питания, USB-зарядку с выбираемыми ограничениями входного тока и сторожевой таймер с выводом для синхронизации с внешним USBPHI.

. Система управления питанием регулирует напряжение на уровне чуть выше напряжения батареи и поддерживает работу даже при разрядке или извлечении батареи, обеспечивая непрерывную функциональность.

Повышенная безопасность и эффективность

В ИС BQ24259 реализована передовая схема управления, обеспечивающая точное регулирование выходного напряжения даже при изменяющихся условиях нагрузки и колебаниях входного напряжения. Она имеет защиту от перегрузки по току, тепловое отключение и блокировку пониженного напряжения на входе, защищая преобразователь и подключенные устройства от возможных повреждений.

. Упор на безопасность и эффективность делает ИС BQ24259 пригодной для широкого спектра промышленных, автомобильных и телекоммуникационных приложений. Эти технологические инновации демонстрируют значительные успехи, достигнутые в разработке систем управления аккумуляторами ведущими компаниями отрасли.

Алгоритмы зарядки

ИС BQ24259 оснащена усовершенствованным алгоритмом зарядки, который работает в трех различных фазах: предварительная подготовка, постоянный ток и постоянное напряжение.

. Вначале устройство определяет напряжение батареи и переходит в фазу предварительной подготовки, если напряжение ниже определенного порога. В этой фазе батарея заряжается малым током, чтобы безопасно поднять напряжение до приемлемого уровня для следующей фазы. На этапе постоянного тока микросхема обеспечивает высокий постоянный ток заряда для быстрой зарядки аккумулятора. Эта фаза продолжается до тех пор, пока напряжение батареи не приблизится к максимальному пределу, после чего алгоритм зарядки переходит к фазе постоянного напряжения. Здесь ток заряда постепенно уменьшается при сохранении постоянного напряжения, что обеспечивает полный заряд батареи без перезаряда. BQ24259 автоматически прекращает процесс зарядки, когда ток заряда падает ниже заданного предела на этапе постоянного напряжения. Если напряжение на полностью заряженной батарее впоследствии упадет ниже заданного порога, ИС автоматически перезапустит цикл зарядки для поддержания заряда батареи. В ИС также интегрированы несколько функций безопасности, таких как контроль отрицательного терморезистора, таймер безопасности зарядки, защита от перегрузки по напряжению и перегрузки по току. Для снижения тока заряда, если температура спая превышает 120°C, используется терморегуляция, которая программируется в соответствии с конкретными требованиями. Для дальнейшего повышения эффективности и безопасности процесса заряда BQ24259 предлагает набор функций, включающий низкоомный канал питания. Это оптимизирует работу в режиме переключения, позволяя устройству эффективно функционировать даже при разряженной или извлеченной батарее. Функция управления трактом питания автоматически регулирует ток заряда для предотвращения перегрузки входного источника, обеспечивая надежный и безопасный процесс зарядки.

Приложения

ИС BQ24259 широко используется в различных приложениях благодаря своим передовым возможностям управления батареями. Эти приложения охватывают потребительскую электронику, автомобильные системы и интеллектуальные IoT-устройства.

Бытовая электроника

В сфере бытовой электроники ИС BQ24259 играет ключевую роль в обеспечении безопасного и эффективного использования литий-ионных батарей, которые отличаются высокой плотностью энергии и длительным сроком службы. Благодаря этим качествам ИС BQ24259 подходит для широкого спектра портативной электроники, такой как смартфоны, ноутбуки и цифровые камеры.

. Способность ИС решать такие задачи, как защита от перезаряда и переразряда, а также контроль тока, обеспечивает долговечность и надежность источников питания этих устройств.

Автомобильные системы

ИС BQ24259 также находит применение в автомобильных системах, где надежное управление батареей имеет решающее значение. Микроконтроллеры автомобильного класса, например, разработанные компанией STMicroelectronics, объединяют эти ИС, чтобы соответствовать строгим требованиям современных автомобильных приложений

. Эти системы требуют высокопроизводительной обработки данных в реальном времени для обеспечения безопасности и управления автомобилем, что обеспечивает ИС BQ24259, управляя подачей питания и защищая от электрических сбоев.

Умные устройства IoT

Умные IoT-устройства, включая медицинские смарт-патчи, беспроводные гарнитуры и системы отслеживания активов, получают значительные преимущества от эффективного управления батареей с помощью ИС BQ24259.

. Эти приложения требуют длительного времени работы от батарей и надежности, которую обеспечивает ИС благодаря усовершенствованным системам защиты батарей. Низкое энергопотребление и высокая эффективность ИС особенно выгодны в устройствах с ограниченным пространством, где максимальное время работы от батареи имеет решающее значение.

Технические характеристики

ИС BQ24259 представляет собой высокоинтегрированное решение для управления батареями, предназначенное для различных применений, включая бытовую электронику, автомобильную промышленность и системы возобновляемых источников энергии. Эта ИС обладает широким набором функций, направленных на обеспечение оптимальной производительности, безопасности и долговечности аккумуляторных систем.

Возможности зарядки аккумуляторов

BQ24259 поддерживает широкий спектр функций зарядки, рассчитанных на различные химические составы и конфигурации аккумуляторов. Она оснащена схемой управления входным питанием, которая может выпрямлять переменный ток от катушки беспроводного приемника питания и генерировать стабильную входную шину в диапазоне от 2,7 до 5,5 В, что необходимо для питания полнофункционального зарядного устройства с постоянным током/постоянным напряжением. ИС предлагает напряжение заряда 4,2 В или 4,35 В с возможностью выбора на выводах и поддерживает ток заряда до 7,5 мА. Кроме того, в ней реализованы функции автоматического перезаряда, контроля температуры батареи через вывод NTC и встроенный 6-часовой таймер безопасного завершения заряда для повышения безопасности и эффективности процесса зарядки.

.

Защита от низкого заряда батареи

Для защиты батареи и подключенных устройств в BQ24259 предусмотрен механизм защиты от низкого заряда батареи, который отключает батарею от всех нагрузок, когда напряжение батареи падает ниже 3,0 В. Эта функция помогает продлить срок службы батареи и предотвращает глубокий разряд, который может привести к повреждению батареи

.

Частота переключения и упаковка

Частота переключения зарядового насоса BQ24259 устанавливается на 50 или 75 кГц, что позволяет не допускать шума переключения в слышимом диапазоне. Это делает ИС идеальной для аудиоприложений, таких как слуховые аппараты и беспроводные гарнитуры. ИС выпускается в компактном низкопрофильном 12-выводном корпусе LQFN размером 2 мм × 2 мм, что обеспечивает малую занимаемую площадь и простоту интеграции в различные конструкции. Устройство гарантированно работает в диапазоне температур от -20°C до 85°C, соответствуя спецификации класса E.

.

Интеграция и периферийные устройства

Помимо основных функций управления батареей, в BQ24259 интегрировано множество периферийных устройств, которые облегчают интеграцию в различные электронные системы. Например, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и коммуникационные интерфейсы CAN (Controller Area Network) и LIN (Local Interconnect Network) позволяют ему взаимодействовать с различными модулями управления автомобилем, включая системы управления двигателем и современные системы помощи водителю (ADAS).

.

Регулирование напряжения и защита

BQ24259 разработан с упором на эффективность и надежность. В нем применено синхронное выпрямление - технология, которая минимизирует потери мощности при преобразовании напряжения. Его усовершенствованная схема управления обеспечивает точное регулирование выходного напряжения даже при изменяющихся условиях нагрузки и колебаниях входного напряжения. ИС также имеет функции защиты от перегрузки по току, теплового отключения и блокировки при понижении напряжения на входе, защищая как саму ИС, так и подключенные устройства от возможных повреждений.

. Благодаря интеграции всех этих функций ИС BQ24259 представляет собой универсальное и надежное решение для широкого спектра приложений управления батареями, обеспечивая высокую производительность и безопасность в различных отраслях промышленности.

Конфигурация выводов

ИС BQ24259 выполнена в 24-контактном корпусе VQFN с открытой тепловой площадкой для улучшения теплоотвода.

.

VBUS

Штырьки 1, 24 (P): Контакт входного напряжения зарядного устройства подключен к внутреннему n-канальному МОП-транзистору с обратным блоком (RBFET) между VBUS и PMID, при этом VBUS является истоком. Рекомендуется установить керамический конденсатор емкостью 1 мкФ между VBUS и PGND, расположенный как можно ближе к микросхеме.

.

PSEL

Контакт 2 (I): Этот вывод служит входом выбора источника питания. Высокий сигнал указывает на источник питания USB-хоста, низкий - на источник питания адаптера.

. Если оставить вывод PSEL плавающим, то при запуске будет установлено ограничение тока 500 мА или 3 А, что может привести к нежелательному поведению, если ограничение входного тока не будет запрограммировано вручную для каждого адаптера или USB-разъема.

PG

Контакт 3 (O): Индикатор хорошего питания с открытым разрядом активного низкого уровня. При подключении к подтягивающей шине через резистор 10 кОм низкий уровень сигнала указывает на хорошее соединение

.

CE

Контакт 9 (I): Контакт Charge Enable имеет активный низкий уровень. Зарядка аккумулятора разрешена, если REG01[5:4] = 01 и вывод CE находится в низком состоянии. Для правильной работы вывод CE должен быть либо подтянут к высокому, либо к низкому уровню.

.

ИЛИМ

Контакт 10 (I): Вывод ILIM устанавливает ограничение максимального входного тока, регулируя напряжение ILIM на уровне 1 В. Резистор, подключенный от вывода ILIM к земле, устанавливает максимальное ограничение как IINMAX = (1 В/RILIM) × KILIM. Фактический предел входного тока равен меньшему из значений, установленных ILIM и I2C REG00[2:0]. Минимальный входной ток, запрограммированный на выводе ILIM, составляет 500 мА

.

TS

Контакт 11 (I): Это входной контакт напряжения температурного контроля. Он должен быть подключен к термистору с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Температурное окно программируется с помощью резисторного делителя от REGN к TS и GND. Зарядка приостанавливается или Boost отключается, когда вывод TS выходит за пределы диапазона. Рекомендуется использовать термистор 103AT-2

.

QON

Контакт 12 (I): Этот вывод управляет функцией разрешения BATFET в режиме транспортировки. Переход логического низкого уровня в высокий на этом выводе с высоким уровнем не менее 2 мс включает BATFET для выхода из режима транспортировки.

. Он имеет внутренний подтягивающий резистор 1MΩ (Typ).

БАТ

Штифты 13, 14 (P): Эти контакты являются точками подключения батареи к положительному контакту батарейного блока. Внутренний BATFET подключен между BAT и SYS. Для оптимальной работы рекомендуется подключить конденсатор 10 мкФ вплотную к контактам BAT.

. Такая конфигурация обеспечивает всесторонний контроль над процессом управления и зарядки батареи, гарантируя безопасную и эффективную работу.

Типовые схемы применения

ИС BQ24259 широко используется в различных приложениях благодаря своей высокой эффективности и расширенным возможностям зарядки. Одно из типичных применений - системы управления аккумуляторами для портативных электронных устройств. Устройство поддерживает высокоэффективное зарядное устройство с переключаемым режимом 2 А и одним входом, совместимое с USB, способное работать с входным напряжением от 3,9 до 6,2 В и обеспечивающее защиту от превышения напряжения 6,4 В.

. Это делает его подходящим для устройств, которым требуется надежная и безопасная зарядка. В носимых устройствах, таких как медицинские смарт-патчи и беспроводные гарнитуры, способность BQ24259 управлять зарядкой аккумулятора автономно, без программного управления, является особенно полезной. ИС может автоматически определять напряжение батареи и управлять циклом зарядки, проходящим через три отдельные фазы: предварительное кондиционирование, постоянный ток и постоянное напряжение. В конце цикла зарядки она автоматически прекращает зарядку, если ток падает ниже заданного предела в фазе постоянного напряжения. Если напряжение батареи впоследствии упадет ниже порога перезарядки, зарядное устройство автоматически начнет новый цикл зарядки. BQ24259 включает множество функций безопасности для обеспечения надежной работы, таких как контроль отрицательного терморезистора, таймер безопасности зарядки и защита от перенапряжения/перегрузки по току. Терморегуляция также является ключевой функцией, снижающей ток заряда, когда температура спая превышает 120°C, что можно запрограммировать. Выход STAT микросхемы сообщает о состоянии заряда и неисправностях, а вывод INT немедленно оповещает хозяина о любых сбоях, повышая безопасность системы и возможности мониторинга. Кроме того, ИС BQ24259 выпускается в компактном 24-контактном тонком корпусе VQFN размером 4×4 мм², что делает ее идеальным решением для приложений с ограниченным пространством. Интеграция связи I2C обеспечивает оптимальную производительность системы и отчет о состоянии, что делает ее универсальной для различных приложений с батарейным питанием.

Преимущества

Инвестиции в технологию систем управления батареями (BMS) предлагают множество конкурентных преимуществ, особенно в плане производительности и безопасности продукции, что соответствует глобальному стремлению к экологически чистым энергетическим решениям. Эта тенденция заинтересовала как уже состоявшихся производителей, так и новых инвесторов, стремящихся воспользоваться открывающимися рыночными возможностями и внести свой вклад в более экологичное будущее.

. Одним из ключевых преимуществ интегрированного подхода к защите аккумуляторов является комплексная защита. Батарея на входе может быть защищена как от чрезмерной разрядки, так и от чрезмерной зарядки, если зарядное устройство подключено к выходу коммутатора. Такой подход позволяет не только сократить количество компонентов, но и сэкономить значительное пространство, что делает его идеальным для современных носимых устройств, подключенных медицинских приборов и других приложений с ограниченными габаритами. Гибкость - еще одно существенное преимущество, поскольку инженерам обычно приходится разрабатывать и квалифицировать отдельные платы и спецификации материалов (BOM) для каждой конфигурации модуля. MAX17853 отличается тем, что является единственной в отрасли интегральной схемой (ИС), которая поддерживает несколько конфигураций каналов (от 8 до 14 ячеек) на одной плате. Эта возможность позволяет инженерам сократить время проектирования до 50% за счет уменьшения усилий по валидации и квалификации. Неустанные инновации в области аккумуляторных технологий привели к усовершенствованию широкого спектра продуктов, от портативных гаджетов до электромобилей (EV). Решения по управлению батареями (BMS), поддерживаемые интегральными схемами мониторинга, являются не просто мерами экономии, а настоящими хранителями энергии. Они оптимизируют пространство, продлевают срок службы батареи и повышают стандарты безопасности, контролируя такие важные параметры, как состояние заряда (SOC), состояние здоровья (SOH) и управление током в реальном времени. Кроме того, прогресс в области аккумуляторов значительно повысил их эффективность, позволив продуктам выдавать более высокую мощность относительно своих размеров и веса. Эта эффективность проявляется в эволюции от громоздких автомобильных батарей к компактным литий-ионным батареям, которые достаточно малы, чтобы поместиться на ладони, и достаточно легки, чтобы весить всего пару килограммов. В совокупности эти достижения в технологии BMS обеспечивают надежность и безопасность высоковольтных систем электрических и гибридных автомобилей в различных сценариях эксплуатации. Применение надежных мер безопасности позволяет свести к минимуму риск возникновения опасных ситуаций, защищая пассажиров, сотрудников служб экстренного реагирования и посторонних лиц.

Ограничения

Системы управления аккумуляторами (BMS) играют ключевую роль в оптимизации производительности, безопасности и долговечности батарей, однако они сталкиваются с рядом присущих им ограничений. Главным из них является проблема точной оценки состояния заряда (SOC), которая осложняется такими факторами, как колебания температуры, старение батареи и различная скорость разряда. Достижение точной оценки SOC остается важнейшей областью исследований.

. Кроме того, усовершенствованные системы BMS, включающие такие функции, как балансировка элементов и обнаружение неисправностей, сложны и дорогостоящи, что потенциально ограничивает их применение в чувствительных к стоимости приложениях. Кроме того, масштабируемость на различные химические составы и конфигурации батарей представляет собой препятствие, требующее индивидуальных решений. Проблемы с надежностью также стоят остро, поскольку сбои в работе BMS могут привести к таким пагубным последствиям, как перезарядка или недозарядка, что ставит под угрозу срок службы батареи и ее безопасность. Несмотря на эти проблемы, прогресс в области интегральных микросхем, таких как MAX17853, показывает перспективу устранения некоторых ограничений. Эта ИС поддерживает несколько конфигураций каналов на одной плате, что значительно сокращает время проектирования и квалификации. Более того, она включает в себя передовые системы балансировки элементов батареи, которые автоматически балансируют каждый элемент по времени и напряжению, чтобы свести к минимуму риск перезарядки, повышая общую безопасность системы без необходимости использования дополнительных компонентов.

Сравнение с другими ИС

ИС BQ24259 входит в более широкую категорию интегральных схем управления питанием (PMIC), которые необходимы для управления потоком и направлением электрической энергии в различных устройствах. Эти микросхемы жизненно важны, поскольку они помогают управлять несколькими внутренними напряжениями и источниками внешнего питания, обеспечивая более высокую эффективность преобразования, меньшие размеры решений и улучшенное рассеивание тепла.

.

ИС для датчиков уровня топлива от Maxim Integrated

В августе компания Maxim Integrated представила ИС для измерения уровня топлива, а именно MAX17301 и MAX17311, которые, как утверждается, предлагают самые настраиваемые параметры безопасности батареи в отрасли. Эти ИС могут точно настраивать пороговые значения напряжения и тока в зависимости от различных температурных зон, а также оснащены схемой вторичной защиты, которая постоянно отключает батарею в серьезных условиях неисправности.

. ИС BQ24259, несмотря на свою надежность, не может предложить такой же уровень конфигурируемости и возможностей вторичной защиты, как в последних предложениях Maxim Integrated.

ИС для мониторинга многоячеечных батарей

Фронтальные ИС для многоэлементных батарей компании Renesas прокладывают путь к созданию высоковольтных приложений благодаря тщательному контролю таких параметров, как напряжение на клеммах и температура, что позволяет оптимизировать работу батарейного блока

. По сравнению с этими ИС для мониторинга многоэлементных батарей, ИС BQ24259 обычно подходит для одноэлементных приложений и не может обеспечить широкие возможности мониторинга, необходимые для высоковольтных или многоэлементных систем.

Решения Texas Instruments и Analog Devices

Texas Instruments предлагает целый ряд ИС, в том числе с функциями как пассивной, так и активной балансировки. Например, устройства Maxim Integrated компании Linear Technology обеспечивают высокоточный сбор данных для сбора и передачи аналоговых сигналов, что крайне важно для систем управления аккумуляторами (BMS).

. ИС BQ24259, разработанная Texas Instruments, обладает такими же высокоточными возможностями сбора данных, но предназначена скорее для простых задач управления батареей, а не для расширенной балансировки, которую обеспечивают некоторые из других предлагаемых ими устройств.

Методы измерения с высоким разрешением

ИС BQ24259 также можно сравнить с конструкциями, использующими для измерения тока АЦП высокого разрешения, которые обеспечивают большой динамический диапазон в ущерб скорости. Это особенно актуально в условиях нестабильной нагрузки, например, в электромобилях, где часто наблюдаются скачки тока большой величины и высокой частоты.

. ИС BQ24259 не может сравниться по точности с АЦП высокого разрешения, но остается экономически эффективным решением для менее требовательных приложений.

Средства разработки

Средства разработки для ИС BQ24259 играют важнейшую роль в облегчении проектирования, тестирования и оптимизации систем управления аккумуляторами (BMS). Эти инструменты включают в себя как аппаратные оценочные комплекты, так и программные платформы, позволяющие инженерам оценивать производительность, контролировать функциональные возможности и эффективно интегрировать ИС в различные приложения.

Оценочные комплекты для аппаратного обеспечения

Аппаратные оценочные комплекты представляют собой комплексное решение для оценки новых интеллектуальных устройств BMS. Эти комплекты включают в себя все необходимые схемы для подачи питания на микроконтроллерный блок (MCU) и внутренние периферийные устройства, обеспечивая инженерам доступ ко всем сигналам устройства для тщательной оценки

. Эти наборы играют важную роль в разработке решений, которые дополняют существующую технологию литиевых батарей, обеспечивая эффективную балансировку, мониторинг и защиту элементов.

Модульность и сопряжение

Архитектура программного обеспечения BMS построена на основе модульной парадигмы, где различные функциональные блоки, такие как мониторинг клеток, терморегулирование, оценка состояния и коммуникационные интерфейсы, работают как отдельные модули. Эти модули взаимодействуют по четко определенным каналам, обеспечивая беспрепятственный обмен данными и координацию. Такая модульность повышает гибкость конструкции системы и облегчает интеграцию новых функциональных возможностей или модернизацию.

.

Централизованное управление и мониторинг

Централизованный блок управления или главный модуль контролирует всю работу BMS. Он собирает данные от отдельных модулей, обрабатывает информацию с помощью алгоритмов оценки состояния и обнаружения неисправностей, а также выдает команды на выполнение корректирующих действий. Такой централизованный подход оптимизирует производительность системы и обеспечивает стабильную работу в различных условиях

.

Протоколы связи

Надежные протоколы связи, такие как Controller Area Network (CAN), обеспечивают надежную передачу данных между модулями. Эти протоколы определяют структуру сообщений, механизмы обработки ошибок и временные ограничения, что позволяет поддерживать целостность данных в системе

.

Сегментация аппаратного и программного обеспечения

Аппаратная часть BMS включает в себя главную плату, подчиненную плату, блок аккумуляторов, высокоскоростное оборудование для измерения напряжения, устройство источника тока и целевую машину реального времени. В программной части выделяют семь отдельных модулей: управление запуском, модель батареи, управление виртуальной батареей, управление источником тока, взаимодействие с данными BMS, обновление сигналов и конфигурация портов. Модель батареи в основном регулирует выходы аналоговых сигналов, а модуль управления виртуальной батареей преобразует расчеты модели в данные, распознаваемые аппаратным компонентом

.

Историческое развитие

Историческое развитие ИС BQ24259 связано с более широкой эволюцией систем управления аккумуляторами (BMS) и интегральных схем управления питанием (PMIC). Первые достижения в области технологий управления батареями были направлены в первую очередь на повышение эффективности и безопасности систем с батарейным питанием. Эти достижения были обусловлены растущим спросом на портативные гаджеты, электромобили (EV) и другие устройства, работающие от аккумуляторов.

. В развитие BMS-решений значительный вклад внесли различные ключевые игроки отрасли, в том числе Texas Instruments, Analog Devices, Inc. и NXP Semiconductors. Эти компании инвестировали значительные средства в исследования и разработки, чтобы представить передовые решения BMS, способные удовлетворить растущие потребности автомобильного сектора и сектора бытовой электроники. Инновации в области интегральных схем контроля состояния аккумуляторов, стоимость которых в 2021 году составила около 1,6 млрд долларов США, а к 2031 году, по прогнозам, достигнет 4,8 млрд долларов США, подчеркивают критическую роль, которую играют эти компоненты в оптимизации срока службы и производительности аккумуляторов. К началу 2020-х годов на рынке BMS появились сложные алгоритмы и функции, направленные на продление срока службы батареи и обеспечение безопасности. К ним относятся мониторинг состояния заряда (SOC) и состояния здоровья (SOH), управление током в реальном времени и эффективные устройства преобразования энергии. ИС BQ24259, разработанная в рамках этого инновационного ландшафта, использовала эти технологические достижения, чтобы предложить высокоточные решения по регулированию напряжения и максимизировать емкость батареи при одновременном снижении сложности и стоимости конструкции. Постоянный прогресс в технологиях BMS и PMIC, поддерживаемый стратегическими партнерствами и значительными инвестициями в НИОКР, продолжает определять развитие и совершенствование решений для управления батареями, таких как ИС BQ24259. Эта историческая траектория подчеркивает исключительную важность непрерывных инноваций для удовлетворения сложных требований современных систем с батарейным питанием.