Всегда верное решение!
ГАММА-САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
Поставки электронных компонентов и модулей на рынки
России, стран СНГ и Прибалтики
Russian English
(812) 493-51-15
197101, Санкт-Петербург, Певческий пер., 12
(ст.м. "Горьковская"), БЦ "LIGHTHOUSE"

посмотреть на карте

(812) 493-51-15

Проблема выбора правильного аккумулятора для автомобильных систем ЭРА ГЛОНАСС/eCall

Проблема выбора правильного аккумулятора для автомобильных систем ЭРА ГЛОНАСС/eCall (системы Экстренного Реагирования на Аварии - ЭРА).

Инициатива Европейского союза иметь систему экстренного вызова при авариях, получившую название eCall, которая будет устанавливаться во все новые автомобили с 2015 года, подтолкнула одного из ведущих производителей элементов питания VARTA Microbattery GmbH к созданию батареи нового уровня, предназначенной для работы в самых суровых условиях.

Эта статья рассказывает, как VARTA модернизирует свой стандартный продукт - Ni-MH аккумулятор – для удовлетворения требований систем eCall и ЭРА ГЛОНАСС, а именно работы при экстремально низких и высоких температурах окружающей среды.

Автомобильные системы экстренного реагирования ЭРА ГЛОНАСС (Россия), eCall (Европа) и аналогичные системы в других регионах мира, такие как OnStar (Северная Америка) и bCall, будут вводиться в эксплуатацию в течение ближайших нескольких лет в попытке предотвратить смертность и уменьшить последствие травм, вызванных ДТП. Основные составные компоненты всех систем похожи – они имеют встроенный в транспортное средство модуль мобильной связи и модуль спутникового позиционирования.

Когда датчики обнаруживают столкновение (например, сработали подушки безопасности), модуль связи делает вызов в службу экстренной помощи в ближайший центр реагирования на чрезвычайные ситуации. Этот вызов предоставляет в центр координаты точного местоположения транспортного средства, а также базовую идентификационную и диагностическую информацию о транспортном средстве. Диспетчер, в свою очередь, пытается поговорить по громкой связи с пострадавшим для определения серьезности инцидента. Это критически важно для оказания необходимой помощи.

Для критических жизненно важных систем терминал экстренного реагирования должен обеспечивать отказоустойчивую работу в любое время в любых условиях. Автомобильная промышленность устанавливает строгие требования к качеству компонентов, используемых в системе ЭРА, в том числе к цепи питания. По умолчанию система подключена к питанию от аккумулятора автомобиля, но в ДТП есть риск отключения главной цепи аккумулятора, и как следствие пропадание питания устройства ЭРА. Поэтому каждый терминал ЭРА должен быть снабжен резервной батареей, который будет обеспечивать питание при пропадании питания от аккумулятора транспортного средства.

Есть основные важные требования к резервной системе питания для терминалов ЭРА:

  • В любое время, когда автомобиль находится в движении, резервная система питания должна обеспечивать рабочий цикл ЭРА
  • Обеспечение больших импульсных токов (для GSMтерминалов пиковые нагрузки могут достигать 2.5А)
  • Срок службы до 10 лет

Использование первичных (не перезаряжаемых) батарей не рекомендуется:первичная батарея теряет емкость вследствие саморазряда, и нет никаких гарантий, что на момент ДТП будет достаточная емкость для питания системы ЭРА.

Аккумуляторные системы, напротив, могут периодически подзаряжаться для поддержания уровня емкости не ниже заданного порога.

Задача разработчика терминала ЭРА состоит в создании системы, работающей как при экстремально низких (от -40˚С) температурах для использования на крайнем севере, так и при экстремально высоких (до +85˚С), когда в жаркую погоду транспортное средство находится под воздействием прямых солнечных лучей. Обычные аккумуляторы не могут обеспечить требуемую производительность при таких жестких условиях.

Среди аккумуляторов наиболее известны и распространены на сегодняшний день два типа химии, которые отвечают «основным требованиям к плотности энергии, выходному напряжению, токам и безопасности»: это ЛИТИЕВЫЕ (чаще всего литий-ионные Li-ion) и НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛ-ГИДРИДНЫЕ (Ni-MH).  Литиевые элементы широко используются в портативных устройствах, включая смартфоны и ноутбуки, так как у них высокая плотность энергии, т.е. большой заряд в относительно небольших габаритах и сравнительно небольшим весом. Но внутреннее сопротивление литиевых элементов резко возрастает при температурах ниже 0˚С: в этих условиях для достижения требуемых пиковых токов, необходимых для GSMзвонка, на выходе аккумулятора потребуется большее напряжение, чем максимально возможные 3.7 В. Вдобавок при температурах выше +60˚С емкость литиевых аккумуляторов значительно падает, при этом часть емкости необратимо теряется. Можно сделать вывод, что для тяжелых условий, в которых работает автомобильная электроника, литиевые компоненты не подходят.

Никель-металл-гидридные (Ni-MH) аккумуляторы, напротив, гораздо более стабильны при различных температурах, а также сохраняет неизменным внутреннее сопротивление в диапазоне от комнатной температуры до +85˚С. В то время как емкость так же остается стабильной в диапазоне температур 0…+85˚С, она заметно снижается при -20˚С (примерно на порядок по сравнению с емкостью при комнатной температуре). По сравнению с литиевыми элементами, Ni-MHимеют более низкую плотность энергии, поэтому Ni-MHбатарея резервного питания будет немного больше и тяжелее, чем эквивалентная литиевая. Но Ni-MHаккумуляторы все же достаточно малы и удобно помещаются в корпусе терминала ЭРА.

Ni-MHаккумулятора также привлекательны из-за присущей безопасности и простотой использования: в то время как литиевые элементы требуют сложных схем заряда и специальной электроники, Ni-MHэлементы могут просто заряжаться методом “tricklecharge” и без последствий переносят небольшой зарядный ток при полном заряде (перезаряд). Специально разработанные Ni-MHячейки «стареют» медленно и предсказуемо: в конце срока службы отмечается увеличение внутреннего сопротивления, которое происходит перед тем, как доступная емкость начнет значительно снижаться. Таким образом система предупреждает пользователя о необходимости замены аккумулятора. Для контроля необходим мониторинг внутреннего сопротивления.

Но, даже с учетом высокой стабильности Ni-MHхимии, работа в экстремальных условиях, встречающихся в автомобильных приложениях, по-прежнему за пределами возможностей обычных Ni-MHаккумуляторов:

  • Обычные Ni-MHаккумуляторы, как правило, рассчитаны на работу до +65˚С , при более высоких температурах есть риск утечки химических веществ
  • Обычные Ni-MHаккумуляторы не предназначены для отдачи тока при температурах ниже -20˚С
  • При температурах ниже 0˚С емкость значительно снижается

VARTA ввела два важных новшества в свою конструкцию и дизайн, цель которых возможность применения нового элемента питания в системе ЭРА. Эти нововведения решают проблемы, возникающие при экстремальных температурах.  В своем новом аккумуляторе V500HT VARTA Microbatteryзаменили обычный пластиковый уплотнитель на новый высокотемпературный синтетический материал. В то же время, VARTA Microbattery улучшила способность аккумулятора принимать заряд при более высоких температурах, изменив для этого состав электролита с новыми примесями для обеспечения лучшей стабильности. Новая конструкция уплотнения обладает высокой устойчивостью к химическим утечкам, а батарея рассчитана на эксплуатацию при температурах до +85˚С и на ограниченное хранение при температурах до +90˚С.

Изначально в таком форм-факторе VARTA Microbattery выпускали аккумулятор емкостью 600мАч. Для удовлетворения высоким требованиям автомобильного применения была произведена модификация, согласно которой доступная емкость стала 500мАч. В герметичной Ni-MHячейке V500HTнеобходимо, чтобы к концу зарядки кислород, образующийся на положительном электроде, рекомбинировал, чтобы избежать роста внутреннего давления и разрушения ячейки. Именно дополнительный «запас заряда» отвечает за этот процесс.

Конструкция самого итогового аккумулятора проста: изначально мы имеем 1 ячейку V500HT, напряжением 1.2 В, емкостью 500 мАч. Ячейки можно комбинировать в сборки (соединять последовательно) для достижения требуемого напряжения (3.6 В, 4.8 В, …).

Сборка из соединенных компонентов помещается в термоусадочный материал. Схема защиты встроена в сборку: NTC, терморезистор и polyswitch (самовосстанавливающийся предохранитель) для защиты от перегрузок по току.  Присоединение такой сборки к цепи осуществляется при помощи разъема или при помощи выводов для монтажа на плату. Примеры сборок:

 

Первичная литиевая

VARTA     3/CR 2/3AH

Li-Ionаккумулятор, VARTALIC18650-15PCJ

Ni-MHаккумулятор, VARTA 4/V500HT

Емкость, мАч

1500

1400

500

Напряжение, В

9.0

3.7

4.8

Остаток заряда после хранения 1000 часов при +85˚С

Саморазряд >5%

Саморазряд>70%

Саморазряд>90%

Восстанавливаемая емкость после хранения 1000 часов при +85˚С

0%

80%

98%

Мониторинг состояния батареи (status of health)

Очень сложно. Зависит от температуры и требуется очень точный АЦП

Возможно, но требуется полный заряд/разряд аккумулятора

Очень простой. Измеряется напряжение ХХ и напряжение на известной нагрузке. EOL когда Ri в 5 раз больше исходного

Доступная емкость

Непредсказуемая. Зависит от саморазряда (от температуры)

Требуется регулярная проверка с полным разрядом аккумулятора

Всегда более 95%

Зарядка

Не требуется

CC/CVстандартная Li-Ionсхема заряда

Зарядка “tricklecharge” + зарядка постоянным током, реализуется с помощью любого МК

 

Li-Ion аккумулятор

Ni-MH аккумулятор

Срок службы

5 лет

10 лет

Работа при высоких температурах

Необратимая потеря восполняемой емкости

Возможно хранение >2000 часов при +85˚С

Емкость

1400 мАч

500 мАч

Конструктив

Сложный дизайн с электроникой

Простой дизайн, объединение ячеек

Защита

Электрическая схема защиты требуется

Развитые технологии с присущим процессом электрохимической рекомбинации

Режимы заряда

Должен быть адаптирован к стандартным алгоритмам

Простая зарядка, алгоритм заряда для оптимизации срока службы

Типичные приложения

Более ориентирован на циклическое использование, чем на резервное питание

Расширенные возможности защиты от перезаряда, идеален для резервного питания

Верхний диапазон рабочих температур

Даташит до +60˚С, фактически до +80˚С со сниженными характеристиками и необратимой потерей восполняемой емкости

Стабильная работа до +85˚С

Нижний диапазон рабочих температур

До -20˚С

До -40˚С с применением нагревательного элемента

Напряжение

3.7 В

Может быть скомбинировано кратно 1.2 В (3.6 В, 4.8 В, …)

Саморазряд

10% в год + ток утечки PCM схемы защиты

15% в течение 2-х месяцев (+25˚С), 40% в год (+25˚С)

Для экстремально низких температур решение найдено не внутри батареи, а снаружи: VARTA Microbattery реализовала сборку Ni-MH аккумуляторов с нагревательной пленкой, которая прикрепляется непосредственно к плоской части аккумуляторов. Получая питание от автомобильного аккумулятора (которое гарантированно будет доступно до момента аварии), эта пленка может нагревать аккумуляторы от -40˚С до 0˚С менее, чем за 10 минут.

Ожидает патента другое решение нагревательного элемента. Это специальная полимерная пленка, которая предназначена и одобрена для применения в автомобильных приложениях, и на данный момент используется в топливных насосах. Переключение и регулировка питания для стандартной пленки должна контролироваться извне, например ECU (электронным блоком управления) транспортного средства. Полимерная пленка, напротив, не требует абсолютно никакой управляющей электроники и в состоянии нагреть батареи менее, чем за 3 минуты.

Удовлетворение спецификации eCall

Этот модифицированный и улучшенный Ni-MH аккумулятор открывает новые горизонты для применения Ni-MHхимии в расширенном температурном диапазоне от -40˚С до +90˚С.

Благодаря сочетанию заряда методом “trickle charge” и внешнего нагрева для поддержания минимальной температуры аккумуляторов от 0˚С, V500HTобеспечивает емкость 500мАч, которая является достаточной для цикла работы терминала ЭРА (eCall). Тестирование прототипа eCall подтвердило высочайшую производительность аккумуляторов VARTA Microbattery, которые обеспечивают отказоустойчивую работу в соответствии с требованиями и в расширенном диапазоне температур.

Регистрация e-mail на получение новостей ::

Статьи для разработчиков

Новости производителей