Akun tilan hallintajärjestelmiä tarvitaan yhä useammilla sovellusalueilla sähköautoista älykkään sähköverkon uusiutuvan energian varastointijärjestelmiin. Vastaavanlainen akkuteknologia on yleistynyt yhä enemmän myös terveydenhuollon parissa, missä se on lisännyt laitteiden käyttöturvallisuutta ja mahdollistanut laitteiden vapaan liikuteltavuuden eri puolilla sairaalaa. Nämä kaikki akkutoimiset sovellukset tarvitsevat tarkkoja ja suorituskykyisiä puolijohteita akkujen valvontaa, tilan hallintaa, suojaamista ja tiedonvälitystä varten.

Tässä artikkelissa kuvataan miten uudenlainen akun valvontajärjestelmä kennon tilan hallintoineen ja eristettyine tiedonsiirtoverkkoineen mahdollistaa kaiken hyödyn irtioton uusista litiumakuista. Uusien integroitujen piirien avulla voidaan lisätä suurten energiavarastojärjestelmien luotettavuutta ja akkujen käyttöaikaa saadaan lisättyä 30 prosentilla.

Lääkintäsovelluksissa käytettävien akkujen on täytettävä tiukat kriteerit luotettavuuden, suorituskyvyn ja turvallisuuden osalta kaikissa tyypillisimmissä käyttöolosuhteissa: potilaan kannettavissa järjestelmissä kuten paineluelvytyslaitteissa, sairaalan teho-osaston laitteissa, akkukäyttöisissä sairaalavuoteissa ja -kuljettimissa, kannettavissa ultraäänilaitteissa, etävalvontalaitteissa ja uutena tulokkaana energian varastointiin tarkoitetuissa ESS-järjestelmissä (Energy Storage Systems).

ESS-järjestelmät eivät ole suoraan yhteydessä potilaaseen eivätkä ne ole lääkintähenkilöstön operoitavissa. ESS-järjestelmät ovat seuraava kehitysaskel UPS-laitteista eli keskeytymättömistä teholähteistä. Perinteisesti UPS-laitteita on käytetty tehonsyötön varajärjestelminä kaikkein kriittisimmissä sovelluksissa, kuten esimerkiksi teho-osastoilla ja tietoverkon infrastruktuureissa. Sairaaloiden ESS-järjestelmiä käytetään mitä moninaisimmissa toiminnoissa uusien litiumpohjaisten akkujen ansiosta. Niitä ollaan integroimassa osaksi sairaalan sähkösyöttöverkkoa, jolloin ne tarjoavat seuraavia etuja:

• Täydellinen tehonsyötön varajärjestelmä, joka kattaa koko toimintatilan eikä ainoastaan kriittisintä osaa toiminnoista pienellä alueella, suojaa sähkökatkoilta ja huonolaatuiselta sähköverkon sähkönsyötöltä sekä vähentää tarvetta käyttää dieselgeneraattoreita varavoimalähteenä. Sairaalat selviävät pitkittyneistäkin sähkökatkoksista megawattituntitason ESS-järjestelmällä, joka osaltaan stabiloi sähköverkon toimintaa.
• Sähkölasku pienenee. ESS-järjestelmän avulla sairaalat voivat ohjata suoraan sähkön käyttöprofiileja ja estää tehonkulutuspiikkien muodostumista, mikä alentaa sähkönkulutuksen kustannuksia.

Sairaaloiden kattotilat ovat yleensä pinta-alaltaan suuria, joten sinne voidaan helposti asentaa valosähköisiä PV-järjestelmiä (Photovoltaic) sähköntuotantoa varten. PV-järjestelmät yhdistettynä ESS-järjestelmiin tarjoavat edellytykset syntyvän sähköenergia varastointiin ja omaehtoiseen energian käyttöön samalla kun sähkölasku ja hiilijalanjälki pienenevät.

Litiumpohjaiset akut yleistyvät nykyään monilla eri markkina-alueilla autoelektroniikasta teollisuuden ja terveydenhuollon sovelluksiin. Erityyppiset litiumakut tarjoavat erilaisia etuja, joiden avulla eri sovellusten ja tuotesuunnittelujen tehovaatimukset saadaan parhaiten täytettyä. Esimerkiksi litium-kobolttioksidilla LiCoO₂ on hyvin suuri spesifinen energia, mikä tekee siitä sopivan kannettaviin tuotteisiin. Litium-mangaanioksidilla LiMn₂O₄ on puolestaan hyvin pieni sisäresistanssi, jolloin se latautuu nopeasti suureen virta-arvoon tehden siitä hyvän valinnan huippuja tasaaviin ESS-sovelluksiin. Litium-rautafosfaatti LiFePO₄ on hyvin kestävä täyslataustilanteissa ja pystyy ylläpitämään suurta jännitettä pitkiäkin aikoja. Tästä syystä se on paras ehdokas suuriin ESS-järjestelmiin, joiden on pystyttävä toimimaan pitkän sähkökatkon aikana. Haittana on suurentunut itsepurkautumisnopeus, mistä ei kuitenkaan ole haittaa edellä mainituissa käyttökohteissa.

Sovellusten erilaisista tarpeista johtuen tarvitaan erityyppisiä akkuja. Esimerkiksi autoelektroniikan sovelluksissa tarvitaan suurta luotettavuutta sekä hyviä latautumis- ja purkautumisnopeuksia, kun taas terveydenhuollon sovelluksissa tarvitaan suurten virtahuippujen kestävyyttä suorituskykyisen ja pitkäkestoisen toiminnan takaamiseksi. Kuitenkin yhteistä kaikille mainituille ratkaisuille on, että kaikkien litium-yhdisteiden purkaantumiskäyrä nimellisjännitealueella on erittäin litteä. Siinä missä tavallisissa akuissa jännitepudotus on luokkaa 500 millivoltista yhteen volttiin, edistyneimmissä litiumakuissa kuten litium-rautafosfaatti (LiFePO₄₎ tai litium-kobolttioksidi (LiCoO₂₎ -akuissa purkaantumiskäyrän muoto on hyvin tasainen jännitepudotuksen ollessa luokkaa 50 millivoltista 200 millivolttiin.

Jännitekäyrän litteydellä on merkittäviä etuja ketjutettujen IC-piirien tehonhallinnassa, kun IC-piirit on kytketty akkujännitekiskoon, jolloin DC/DC-muuntimet voidaan suunnitella toimimaan pienen tulojännitealueen suurimmalla tehoarvolla. Muuntamalla tunnettu V_IN lähellä olevaksi V_OUT:ksi järjestelmän tehonsyöttöketju voidaan suunnitella jännitteen alennus-nostomuuttimen ideaalille toimintajaksolle, jolloin saavutetaan yli 99 prosentin hyötysuhde kaikissa toimintaolosuhteissa. Lisäksi akkulataaja saavuttaa täydellisesti latausjännitteen ja kuormitukset voidaan suhteuttaa stabiilin toimintajännitteen mukaan, jolloin loppusovelluksen tarkkuusominaisuuksia voidaan lisätä esimerkiksi etävalvonnassa tai potilaan sisällä olevassa elektroniikassa. Jos käytetään vanhempia litium-yhdisteitä tai jyrkempiä purkautumiskäyriä, akkukäyttöisten DC/DC-muuntimien suorituskyky pienenee, jolloin tuloksena on akun käyttöiän lyheneminen 20 prosentilla tai ollessaan kannettavaan lääkintälaitteeseen yhdistettynä syntyy tarve latauskertojen lisäämiseen ylimääräisten tehohäviöiden vuoksi.

Litteästä purkautumiskäyrästä johtuen akun varaustason (SOC, State of Charge) ja toimintakunnon (SOH, State of Health) arvojen määrittäminen vaikeutuu. On tärkeää laskea SOC-lukema erittäin tarkasti, jotta pystytään varmistamaan, että akku on latautunut ja purkautunut oikealla tavalla. Ylilatautuminen aiheuttaa ongelmia turvallisuuden kannalta heikentämällä akun kemiallisia ominaisuuksia ja lisäämällä oikosulun todennäköisyyttä, jolloin saattaa syntyä tulipalon ja kaasuvuodon aiheuttamia vaaratilanteita. Ylipurkautumisella on myös taipumus heikentää akkua ja lyhentää sen käyttöikää yli puolella. SOH-lukema antaa tietoa akun tilasta ja se ilmaisee, kuinka kauan ikääntyvää akkua voidaan turvallisesti käyttää ja milloin akku kannattaa vaihtaa uuteen. Mikro-ohjain analysoi SOC- ja SOH-dataa reaaliaikaisesti, valitsee käyttöön sopivat latausalgoritmit, antaa käyttäjälle tietoa akun potentiaalisesta kapasiteetista (esimerkiksi jos akku voi suorittaa suurivirtaisen syväpurkautumisen sähkökatkon yllättäessä) ja varmistaa, että suurissa ESS-järjestelmissä huonojen ja hyvien akkujen välinen tasapaino on optimaalinen mahdollisimman pitkän käyttöiän saavuttamiseksi.

Kun otetaan esimerkiksi jyrkällä purkautumiskäyrällä varustettu hyvin vanha akku, on helppo laskea akun SOC-lukema mittaamalla lyhytaikaisen jännitepudotuksen delta, kun tiedetään akkujännitteen absoluuttinen arvo. Kun mittaus tehdään uusille litiumpohjaisille akuille, vaaditaan moninkertaista tarkkuutta, koska jännitepudotukset ovat huomattavasti pienempiä annetussa aikaikkunassa.

SOH-lukemien valossa vanhat akut purkautuvat nopeammin ja ennustetummin: niiden jännitteen purkautumiskäyrä jyrkkenee entisestään eikä tavoitteena olevaa latausjännitettä enää saavuteta. Uudet litium-akut toimivat samalla hyvällä varaustasolla pidemmän aikaa, mutta lopulta taso voi laskea poikkeuksellisissa toimintaoloissa, jolloin niiden impedanssi ja purkautumiskäyrä voi muuttua nopeasti juuri kun niiden käyttöikä on lähestymässä loppuaan tai ne ovat tuhoutumassa. Erityistä huomiota on kiinnitettävä lämpötilan mittauksiin ja mieluiten vielä kunkin yksittäisen kennon lämpötilan mittauksiin, jolloin lämpötieto voidaan yhdistää SOC- ja SOH-algoritmeihin. Näin mittauksiin saadaan tarkkuutta lisää.

Tarkkojen ja luotettavien SOC- ja SOH-laskelmien avulla akkujen käyttöikää saadaan pidennettyä parhaimmassa tapauksessa kymmenestä vuodesta 20 vuoteen ja keskimäärinkin saadaan käyttöikää pidennettyä 30 prosentilla, jolloin ESS-järjestelmän omistajan kokonaiskustannuksia ylläpitokustannukset mukaan lukien saadaan vähennettyä yli 30 prosentilla. Tämä yhdistettynä saatuun entistä tarkempaan SOC-tietoon vältytään ylilatautumis- ja ylipurkautumistilanteilta, jotka voivat nopeasti tyhjentää akun. Tällöin myös oikosulkujen, tulipalojen ja muiden riskitilanteiden vaara pienenee. Akusta saadaan hyötykäyttöön kaikki energia ja akun lataaminen voidaan suorittaa parhaalla mahdollisella tavalla.

Tässä artikkelissa esiteltävä akun valvontaratkaisu LTC6813 soveltuu käytettäväksi terveydenhuollon laitteissa, kuten kannettavissa ultraäänilaitteissa, suurissa megawattituntien ESS-järjestelmissä (sairaaloissa, tehtaissa, sähköverkon stabilointijärjestelmissä, sähkökulkuneuvojen latausjärjestelmissä ja kaukokäyttöyksiköissä), teollisuusroboteissa ja kulkuneuvoissa. Analog Devicesin kannettavan teknologian avulla saadaan parannettua luotettavuutta ja turvallisuutta, koska ne on suunniteltu toimimaan erilaisissa haastavissa ympäristöissä ja ne täyttävät erilaiset toiminnalliset turvallisuusstandardit autoelektroniikan ASIL-vaatimuksista teollisuuden SIL-vaatimuksiin (esimerkiksi VDE AR 2510-2/-50, IEC EN 61508 jne.)

Yksi uusimmista ratkaisuista tehokkaan ja luotettavan akun valvontajärjestelmän toteuttamiseksi muodostuu 18 kennon valvonnasta ja tasapainottamisesta huolehtivasta IC-piiristä, jossa on orjaeristetyllä (slave isolated) SPI-liitännällä varustettu mikro-ohjain. Monikennoisen akuston monitorointipiiri (battery stack monitor) mittaa enimmillään 18:a sarjaan kytkettyä akkukennoa kokonaismittausvirheen jäädessä alle 2,2 millivolttiin. Kennon mittausalue 0-5 V mahdollistaa, että se soveltuu useimmille akkutyypeille. Kaikki 18 kennoa saadaan mitatuksi 290 µs:ssa ja hitaampia datankeruunopeuksia voidaan käyttää häiriöiden pienentämistä varten. Useita monitorointipiirejä voidaan kytkeä sarjaan, jolloin pitkien suurjänniteakkujonojen samanaikainen kennojen tarkkailu on mahdollista. Kussakin piirissä on isoSPI-liitäntä nopeaa ja RF-immuunia pitkän matkan tiedonsiirtoa varten. Useita monitorointipiirejä ketjutetaan toisiinsa siten, että yksi isäntäprosessori on yhdistetty niihin kaikkiin. Ketju saadaan toimimaan kaksisuuntaisesti ja tiedonsiirron yhtenäisyys taataan jopa silloin kun tiedonsiirtolinjoilla on vikatilanne. IC-piirille syötetään tehoa suoraan akustosta tai eristetystä teholähteestä. IC-piirissä on jokaiselle kennolle passiivinen tasapainotus ja yksittäisen PWM-toimintajakson ohjaus. Muita toimintoja ovat kortilla oleva 5 V:n regulaattori, yhdeksän yleiskäyttöistä I/O-linjaa ja lepotila, kun virrankulutus laskee 6 mikroampeeriin.

Jotta akun valvontasovellusten lyhyen ja pitkän ajan tarkkuusvaatimukset täyttyvät, ADI:n ratkaisussa käytetään referenssinä upotetun zenerin muunnosta kielletyn energiavyön referenssin sijaan. Näin saadaan stabiili, vähäisen ryöminnän (20 ppm/), alhaisen lämpötilakertoimen (3ppm/°C) ja matalan hystereesin (20 ppm) omaava ensiöjännitereferenssi, jonka pitkäaikainen vakaus on erinomainen. Tällaista tarkkuutta ja stabiilisuutta edellytetään, koska ne muodostavat perustan kaikille peräkkäisille akkukennojen mittauksille, jolloin kumulatiivinen virhekertymä vaikuttaa niin vähän kuin mahdollista kerättävän datan luotettavuuteen, algoritmin yhdenmukaisuuteen ja järjestelmän suorituskykyyn.

Vaikka erittäin tarkan referenssin tuottaminen on tärkeä ominaisuus hyvän suorituskyvyn takaamiseksi, tarvitaan muutakin. A/D-muuntimen arkkitehtuurin on oltava vaatimusten mukainen siten, että sen toiminta on mahdollista ollessaan alttiina sähköhäiriöille, jotka aiheutuvat järjestelmän suurivirtaisen tai -jännitteisen invertterin synnyttämistä pulssileveysmoduloiduista pulssipiikeistä. Varaustason tarkka arvonmääritys ja akkujen toimintakunto edellyttävät lisäksi korrelatiivista jännitteen, virran ja lämpötilan mittausta.

Ennen kuin järjestelmän kohina pääsee vaikuttamaan akun valvontajärjestelmän suorituskykyyn, sitä voidaan vähentää sigma-deltatopologiaa Σ-Δ käyttävällä monitorointipiirin muuntimella, jossa hyödynnetään kuutta käyttäjän valittavissa olevaa suodatinvaihtoehtoa ympäristöhäiriöiden suodattamiseksi. Sigma-deltan avulla vähennetään sähkömagneettisten EMI-häiriöiden ja muiden pulssipiikkien aiheuttamia häiriöitä, koska sigma-deltan lähestymistapana on suorittaa kukin muunnos useiden näytteiden avulla ja käyttämällä keskiarvoa laskevaa suodatintoimintoa.

Kennon tasapainotus on tarpeen kaikissa suuria akustoja käyttävissä järjestelmissä, joissa kennot tai moduulit on järjestetty ryhmiksi, kuten sairaaloiden sähköverkon erilaisiin osiin tehoa syöttävissä suurissa ESS-yksiköissä. Vaikka useimmat litiumkennot ovat täyteen ladattavissa hankintahetkellä, niiden kapasiteetti heikkenee käyttöiän lisääntyessä. Ikääntymisprosessi kohtelee eri tavoin eri kennoja monista eri syistä mm. lämpötilan vaihteluista johtuen. Kokonaisprosessia pahentaa kennon toimiminen SOC-lukeman asettamien rajojen ulkopuolella, jolloin se menettää toimintakuntonsa ja lisäkapasiteettinsa ennen aikojaan. Tällaiset kennojen väliset kapasiteettien eroavuudet, etenkin kun ne yhdistetään pieniin eroihin kennojen itsepurkautumis- ja latausvirroissa, voivat johtaa kennon tasapainottomuuteen.

Kennon tasapainottomuutta voidaan korjata suoraan passiivisesti (käyttäjän ajastimella valittavalla) tasapainottavalla pinotarkkainpiirillä. Passiivinen tasapainotus on edullinen ja helppo tapa normalisoida kaikkien kennojen varaustaso (SOC) akun latautumisjakson aikana. Passiivisella tasapainotuksella poistetaan varausta alemman kapasiteetin omaavista kennoista eivätkä kyseiset kennot pääse ylilatautumaan. IC-piirillä voidaan myös ohjata aktiivista tasapainotusta, jossa kehittyneemmällä tasapainotustekniikalla siirretään varausta kennojen välillä lataus- ja purkaantumisjakson aikana.

Käytettiinpä sitten lähestymistapana aktiivista tai passiivista tasapainotusta suuren mittaustarkkuuden hyödyntäminen on tärkeintä kennon luotettavan tasapainotuksen kannalta. Kun mittausvirhe suurenee, järjestelmän perustana olevan toiminnanohjauskaistaa tarvitaan enemmän, jolloin tasapainotuksen suorituskyvyn tehokkuus kärsii. Jos SOC-lukeman alue tällä tavoin rajoittuu, järjestelmän herkkyys mittausvirheille kasvaa. Kun kokonaismittausvirhe jää alle 1,2 millivolttiin järjestelmätason vaatimukset akun valvontajärjestelmille täyttyvät.

ESS-järjestelmissä akun kennoja yhdistävä tiedonsiirtosilmukka on pakollinen. Tämä silmukka siirtää dataa järjestelmän akusta pilven energian valvonta-algoritmiin, joka seuraa lataus- ja purkaantumistapahtumia määrittääkseen parhaan tavan maksimoida akun käyttö tai ylläpitää suurimman kapasiteetin akku täysin latautuneena sähkökatkon varalta.

ADI:n LTC681x- ja LTC680x-perheen piirit edustavat uusimman teknologian mukaisia akun valvontapiirejä. LTC6813 on 18-kanavainen versio.

Akun valvontapiiri on yhteydessä isäntäyksikköön, jossa oleva mikro-ohjain tai prosessori laskee SOC- ja SOH-lukemat ja reguloi latautumis- ja purkaantumisprofiilit. Erilaiset johdotuskytkennät ovat mahdollisia ja eristetty tiedonsiirtokanava on erityisesti tarkoitettu suurjännitesovelluksiin, kuten 400-1500 V:n ESS-järjestelmiin ja suuren kapasiteetin akuilla (40-200 V) varustetuille kannettaville laitteille.

Kun LTC6813-piirin sisältämä isoSPI-ominaisuus yhdistetään LTC6820:n isoSPI-tiedonsiirtoliitäntään, saadaan aikaiseksi turvallinen ja kestävä tiedonsiirto suuren jännitekynnyksen ylitse. IsoSPI on erityisen hyödyllinen sarjaan kytketyistä kennoista satojen volttien jännitteet tuottavissa ESS-järjestelmissä, jolloin tarvitaan täydelliset eristeet henkilöstölle aiheutuvien vaaratilanteiden estämiseksi.

Kun tässä kuvattuihin ESS-järjestelmiin halutaan liittää enemmän kuin 18 kennoa, liitetään toisiinsa useampia LTC6813-piirikortteja. Tällöin useampi samanlainen, yhden LTC6813-piirin sisältävä piirikortti yhdistetään kestävästi toimimaan ketjutettuna. Mikroprosessori on sijoitettu erilliselle piirikortille. Mikroprosessorikortin ja ensimmäisen LTC6813-piirikortin välinen kaksijohtiminen eristys toteutetaan LTC6820-piirillä. Jos tarvitaan vain yksi LTC6813-1-piiri, sitä voidaan käyttää itsenäisenä (ei ketjutettuna) laitteena, kun toinen isoSPI-portti (Port B) on oikein esijännitetty ja päätetty.

Suurimpana haasteena tasapainotus- ja tiedonsiirtotoiminnoilla varustettujen akun monitorointipiirien suunnittelussa on aikaansaada piirikortille häiriötön komponenttien sijoittelukuvio, jossa piirille tuleva signaali pidetään mahdollisimman puhtaana reitittämällä kriittisimmät johdotukset kauaksi häiriölähteistä, kuten hakkuriteholähteistä. ADI:n tarjoamien ratkaisujen suuri tarkkuus ja virheettömyys auttavat optimoimaan jo valmiiksi hyviä suunnitteluja. Tällöin akkuja voidaan käyttää tehokkaasti ja turvallisesti ja niiden käyttöikää voidaan lisätä 30 prosentilla.

Tukeakseen lopputuotteiden suunnittelua ADI:lla on tarjolla asiakkaille laaja valikoima kehitystyökaluja evaluointijärjestelmineen ja akun valvontalaitteiden suunnittelualustoineen erilaisia sovelluskohteita varten.

Artikkelin kirjoittaja Stefano Gallinaro työskentelee Analog Devicesin uudistuvien energiamuotojen liiketoimintayksikössä. Hän vastaa aurinkoenergian, sähkökulkuneuvojen, lataustoimintojen ja energiavarastoinnin, erityisesti tehonmuunnoksen, strategisesta markkinoinnista.

Artikkeli on ilmestynyt ETNdigi-lehden numerossa 2/2019. Sitä pääset lukemaan ilmaiseksi täällä.