Rispetto alle reti resistive discrete, le reti resistive integrate di Texas Instruments garantiscono maggiore precisone ed efficienza nei sistemi di gestione delle batterie (BMS) nei veicoli elettrici, oltre ad occupare meno spazio sul circuito stampato.
Nei moderni veicoli elettrici (EV) e nei veicoli elettrici ibridi (HEV), il sistema di gestione della batteria (BMS) funge da cervello del pacco batteria, responsabile di garantire le prestazioni, la sicurezza e la longevità della batteria. Il BMS monitora parametri come lo stato di carica, che fornisce informazioni sull’energia rimanente disponibile, e lo stato di salute, che valuta le condizioni generali e l’invecchiamento delle celle della batteria. Queste metriche aiutano a mantenere un uso efficiente dell’energia e a ritardare il degrado prematuro della batteria.
Per soddisfare le normative sull’efficienza della batteria e sulla sostenibilità ambientale, le case automobilistiche devono mantenere elevati livelli di prestazione della batteria per tutta la vita di un veicolo. Ad esempio, il California Air Resources Board ha introdotto standard che impongono ai veicoli elettrici di mantenere almeno l’80% della loro autonomia elettrica per 10 anni o 150.000 miglia entro l’anno 2030. Si tratta del culmine di requisiti minori destinati a entrare in vigore già a partire dall’anno 2026, in vista di restrizioni più severe dopo l’anno 2031. Standard simili sono già entrati in vigore in tutto il mondo, rendendo necessarie soluzioni più avanzate e integrate all’interno del BMS per migliorare la precisione di rilevamento.
Questo articolo tecnico è focalizzato sui miglioramenti che le reti resistive integrate ad alta tensione possono offrire in queste applicazioni in termini di precisione, efficienza e risparmio di spazio rispetto alle catene di resistenze discrete, consentendo al BMS di bilanciare meglio il pacco batteria e migliorarne la durata. La Figura 1 illustra le celle della batteria e il sistema di gestione della batteria all’interno di un veicolo elettrico.
Figura 1. La tensione delle batterie EV da ≥400 V viene ridotta da partitori resistivi per potersi interfacciare con il resto del BMS.
Nozioni di base sull’applicazione
La tensione tipica della batteria EV è ≥400 V, con il settore che tende verso tensioni più elevate di 1 kV o più. Le batterie a tensione più elevata aiutano a ridurre i requisiti di corrente e a massimizzare l’efficienza. La misurazione di questa tensione e l’interfacciamento con gli altri sistemi del veicolo richiede la conversione del segnale e l’impiego di un convertitore analogico-digitale (ADC), che è in genere alimentato da una tensione di circa 5 V. Gli ADC non possono accettare un segnale di ingresso superiore a tale tensione.
La protezione dell’ADC e di altri componenti a bassa tensione dalla tensione relativamente elevata della batteria richiede un dispositivo come un amplificatore isolato per mantenere una barriera tra i domini ad alta e bassa tensione. Nonostante siano un ponte tra due domini di tensione, gli amplificatori isolati possono accettare solo un intervallo di tensione simile all’ADC, rendendo necessaria l’attenuazione della tensione della batteria prima di raggiungere l’amplificatore isolato. Un partitore resistivo è comunemente utilizzato per questo scopo, riducendo il segnale ad alta tensione in un intervallo di piena scala a una tensione inferiore. La figura 2 rappresenta uno schema elettrico per la misurazione del bus DC progettato utilizzando lunghe stringhe di resistori per attenuare la tensione della batteria a un livello accettabile.
Figura 2. Circuito per la misurazione della tensione della batteria utilizzando una serie di resistori discreti.
Svantaggi delle catene di resistori discreti
Quando si ha a che fare con tensioni superiori a 400 V, è necessario considerare le distanze di creepage e clearance per prevenire archi elettrici e garantire un isolamento sicuro. Sebbene un partitore di resistori tradizionale richieda solo due resistori, è proprio per rispettare i valori di creepage e clearance che l’attenuazione ad alta tensione spesso presenta lunghe catene di resistori in modo da aumentare la distanza fisica tra un nodo ad alta e bassa tensione. Secondo IEC 60115-8, la caduta di tensione massima sostenuta su ciascun resistore è limitata; in genere, 200 V per ciascun resistore a montaggio superficiale di dimensioni 1206 e 150 V per ciascun resistore di dimensioni 0805.
Questo metodo di progettazione presenta alcuni svantaggi. Anche con resistori di precisione, le variazioni nella tolleranza intrinseca di ogni resistore discreto può portare a discrepanze significative nel rapporto di divisione della tensione, con conseguenti misurazioni di tensione imprecise. I resistori discreti sono anche suscettibili a variazioni del valore resistivo dovute a variazioni di temperatura e invecchiamento.
Anche i punti di saldatura su entrambe le estremità di tali resistori sono esposti, con conseguenti potenziali perdite aggiuntive e capacità parassita o maggiore induttanza, a meno che non si incorpori un rivestimento conforme o un’altra protezione, il che aumenta i costi della soluzione. In una lunga catena di resistori discreti, questi effetti possono sommarsi, degradando ulteriormente la precisione del rilevamento della tensione nel tempo; con ciò, causando errori di stima dello stato di carica e dello stato di salute che portano a decisioni di gestione della batteria non ottimali, come cicli di carica e scarica errati, riducendo la durata della batteria e peggiorando l’autonomia del veicolo elettrico.
Vantaggi dei resistori integrati
Il package SOIC wide-body della rete integrata di resistori RES60A-Q1 di Texas Instruments è specificamente progettato per soddisfare gli standard di creepage e clearance definiti dallo standard 61010 della Commissione elettrotecnica internazionale, per tensioni fino a 1,7 kV.
Questo dispositivo offre vantaggi significativi in termini di prestazioni e affidabilità. I limiti massimi specificati per il rapporto iniziale e la tolleranza nel tempo aiutano a garantire che il rapporto di partizione della tensione rimanga accurato, nonostante gli effetti dell’invecchiamento o dei cambiamenti ambientali come le variazioni di temperatura. Questa affidabilità è importante per le applicazioni in cui la costanza delle prestazioni sono una priorità. Il design del package del circuito integrato elimina la necessità di lunghe catene di resistori discreti, riducendo l’ingombro sul circuito stampato. Questo consolidamento non solo semplifica il layout del circuito, ma riduce anche i costi di assemblaggio.
Un minor numero di nodi esposti riduce la probabilità di errori dovuti a perdite o parassiti, eliminando la necessità di rivestimento conforme e riducendo potenzialmente anche i costi. La figura 3 rappresenta uno schema elettrico per la misurazione del bus DC in cui RES60A-Q1, RES11A-Q1 e AMC1311BQ1 forniscono un modo per misurare la tensione che attraversa la barriera di isolamento e ottenere un errore di intervallo su scala completa <1%.
Figura 3. Circuito per la misurazione della tensione della batteria con RES60A-Q1, RES11A-Q1 e AMC1311BQ1 di Texas Instruments.
Conversione di segnale con uscita differenziale
Gli amplificatori isolati come AMC1311B-Q1 di TI con uscite differenziali sono popolari perché le uscite differenziali sono ideali per trasportare segnali su lunghe distanze e i progettisti spesso posizionano i loro componenti a bassa tensione lontano dalle sorgenti ad alta tensione per motivi di sicurezza. L’immissione di questo segnale in un ADC single-ended richiede una conversione differenziale-in-single-ended tramite l’aggiunta di un amplificatore differenziale integrato o quattro resistori discreti configurati attorno a un amplificatore (vedere la figura 3).
Per le stesse ragioni per cui un partitore di resistori discreto può introdurre errori durante l’attenuazione, anche i singoli resistori possono introdurre una deriva del rapporto in un’implementazione di un amplificatore differenziale discreto. Combinando un resistore integrato come RES11A-Q1 con un amplificatore ad alta precisione come OPA388-Q1 è possibile produrre un amplificatore differenziale con un elevato rapporto di reiezione di modo comune, che può aiutare a ridurre il rumore nonché altri errori.
Conclusione
Il passaggio da catene di resistori discreti a una soluzione integrata come RES60A-Q1 offre numerosi vantaggi nella progettazione di circuiti di attenuazione ad alta tensione per un BMS. Se abbinati a componenti complementari come RES11A-Q1 per la conversione del segnale differenziale, questi dispositivi integrati possono aiutare i veicoli elettrici a salvaguardare la qualità della batteria per periodi prolungati.
Risorse aggiuntive
- Nota applicativa “Optimizing CMRR in Differential Amplifier Circuits With Precision Matched Resistor Divider Pairs.”
- Scheda tecnica del dispositivo RES60A-Q1.
- Modulo di valutazione RES60EVM (disponibile su TI.com)
Jacob Fattakhov è Product Marketing Manager presso Texas Instruments.
