L’integrato ATA6870 di Atmel, utilizzato nel settore auto per la misura e il monitoraggio dello stato batterie nei veicoli ibridi ed elettrici, dispone di un’importante funzionalità in grado di rilevare le interruzioni del collegamento elettrico con le batterie. Scopriamo insieme in questo articolo in cosa consiste questa tecnica e le sue applicazioni.
Prima di illustrare e comprendere la funzionalità di rilevamento dell’interruzione del collegamento elettrico (nota in inglese con il termine “broken wire detection”), è utile riassumere le caratteristiche e le principali applicazioni del componente proposto da Atmel. L’ATA6870 è fondamentalmente un circuito destinato alla misura e al monitoraggio dello stato delle batterie agli ioni di litio (Li-ion) e al nichel-metallo idruro (NiMH). Questi elementi, collegati tra loro in modo tale da formare dei sistemi multi-cella, vengono impiegati soprattutto per alimentare i veicoli elettrici e ibridi. L’Atmel ATA6870 ha essenzialmente il compito di monitorare il valore della tensione e della temperatura presente sulle batterie, tramite l’utilizzo di un convertitore analogico-digitale a 12-bit. Un’altra importante funzionalità svolta dal componente è quella di bilanciare la carica tra le diverse celle delle batterie. L’ATA6870 include, inoltre, un regolatore lineare integrato, particolarmente adatto per alimentare un microcontrollore, o qualunque altro dispositivo elettronico esterno. Più unità ATA6870 possono poi essere collegate tra loro; in particolare, ciascun integrato può gestire sino a sei celle di batteria, e possono essere collegati in cascata (ottenendo una fila, o “string”, di ATA6870) sino a sedici integrati (per un totale di 96 celle). Il numero di “string” utilizzabili non è limitato, estendendo di fatto il numero totale di celle gestibili.
L’ATA6870
In Figura 1 possiamo osservare lo schema a blocchi relativo al componente ATA6870. Come visibile nell’immagine, l’integrato può essere collegato con altre unità dello stesso tipo in modo tale da formare una configurazione lineare (fino a 16 unità sulla medesima fila).
Figura 1: schema a blocchi dell’ATA6870
Da notare la presenza di un blocco per consentire la comunicazione sia con altri dispositivi dello stesso tipo, che con il microcontrollore esterno (si veda il blocco denominato “Interchip and Microcontroller Communication Interface”). A basso livello, la comunicazione viene implementata tramite un’interfaccia SPI. Tutto ciò è ben sintetizzato dallo schema mostrato in Figura 2, in cui si può notare la presenza delle interfacce coinvolte nel collegamento. Se poi estendiamo lo schema precedente in modo tale da gestire più file di componenti, otteniamo la configurazione generale visibile in Figura 3, in cui possiamo osservare la presenza di diversi microcontrollori e un controllore con funzione Master di tutto il sistema.
Figura 2: una fila di ATA6870
Figura 3: multi-string di ATA6870
ATA6870 - SCHEDA TECNICA
Le principali caratteristiche tecniche dell’ATA6870 possono essere così sintetizzate:
- misura della tensione delle celle di batteria con risoluzione a 12-bit;
- misura simultanea su più celle di batterie in parallelo;
- misura della temperatura delle celle;
- possibilità di bilanciare la carica tra più celle, in parallelo;
- alimentatore integrato per microcontrollore esterno;
- rilevamento delle sottotensioni;
- corrente di standby inferiore a 10μA;
- funzionalità di plug-in a caldo;
- timer con interrupt per risvegliare la CPU;
- soluzione molto efficiente dal punto di vista economico;
- comunicazione affidabile tra più dispositivi collegati in cascata;
- disponibile in contenitore QFN48 da 7 x 7 mm.
Tra le principali applicazioni di questo dispositivo ricordiamo la misura di tensione e temperatura delle batterie, soprattutto nei veicoli elettrici (EV) e nei veicoli ibridi elettrici (HEV).
INTERFACCIAMENTO CON LE CELLE
In Figura 4 possiamo osservare i segnali del componente ATA6870 utilizzati per l’interfacciamento con ciascuna batteria di celle, e gli unici componenti addizionali esterni richiesti per rendere il collegamento più affidabile. I segnali di ingresso MBAT(i), come pure le linee di alimentazione VDDHV e AVSS, possono essere protetti tramite l’aggiunta di resistenze addizionali e di un condensatore di filtro, come mostrato in Figura 4.
Figura 4: interfaccia con la batteria
Gli ingressi MBAT(i) sono linee ad alta impedenza (circa 2 M ), e dei componenti esterni possono pertanto essere aggiunti al fine di proteggere l’integrato ATA6870 da eventuali picchi di corrente o sovratensioni che si possono generare a livello delle celle di batteria.
CONFIGURAZIONE RIDOTTA
L’Atmel ATA6870 è in grado di funzionare anche con un numero ridotto di celle di batteria; più precisamente, esso è in grado di operare correttamente anche con solo 3, 4, 5, oppure 6 celle ad esso collegate. In tutti questi casi, gli ingressi del componente corrispondenti alle celle non presenti dovranno essere collegati al potenziale di cella superiore del modulo, come indicato in Figura 5. Le celle di batteria 1 (segnali MBAT1 e MBAT2) e 6 (segnali MBAT6 e MBAT7) devono comunque sempre essere utilizzate come cella inferiore e superiore, rispettivamente.
Figura 5: collegamento di sole 4 celle
REGOLATORE INTEGRATO
Come anticipato precedentemente, il componente Atmel ATA6870 è in grado di fornire in uscita una tensione stabilizzata di 3,3 V utile per alimentare direttamente dei componenti esterni, come ad esempio un microcontrollore. Il pin di ingresso del regolatore integrato è rappresentato dal segnale VDDHVP, mentre il corrispondente pin di uscita è VDDHVM. Il regolatore riesce ad alimentare il microcontrollore direttamente dalla prima cella di una fila (quella cioè in posizione superiore rispetto a tutte le altre). I regolatori di tensione di tutti gli Atmel ATA6870 collegati in cascata sono perciò appartenenti a una configurazione seriale, in modo tale da evitare degli eventuali sbilanciamenti. Ciascun regolatore può poi essere disabilitato tramite l’apposito pin POW_ENA.
I BLOCCHI ANALOGICI
L’Atmel ATA6870 dispone di alcuni blocchi analogici che meritano di essere analizzati singolarmente. Vediamo quindi in dettaglio quali sono questi moduli e le funzionalità da essi implementate.
BLOCCO DI MISURA DELLA TENSIONE
Questo blocco, visibile in Figura 6, è composto da un multiplexer a due ingressi, un riferimento di tensione, un convertitore analogico-digitale a 12 bit, e dalla parte superiore dei traslatori (digitali) di livello della tensione. L’ingresso proveniente dal multiplexer (tensione analogica) viene convertito in forma digitale dall’ADC a 12-bit.
Figura 6: blocco di misura della tensione
CIRCUITO DI SCARICA DELLA CELLA
Ciascuna cella può essere scaricata tramite l’utilizzo di resistenze e di un transistor NMOS, collegati esternamente, come indicato in Figura 7. Il pin DISCH(i) viene utilizzato per comandare la scarica, attivando la resistenza esterna collegata in parallelo alla batteria. Il pin DISCH(i) è un’uscita di tipo digitale: se VDISCH(i) = VMABT(i) il processo di scarica è inibito, mentre se VDISCH(i) = VMABT(i+1) il processo di scarica è abilitato.
Figura 7: circuito di scarica della cella
SENSORE DI TEMPERATURA
Il blocco analogico adibito alla misurazione della temperatura della cella è basato su un partitore resistivo che utilizza una resistenza standard e una resistenza di tipo NTC. Questo partitore resistivo è collegato al riferimento del convertitore analogico-digitale, in modo tale da eseguire la misura della temperatura. Poiché l’ADC utilizza lo stesso valore di riferimento, l’uscita della misura di temperatura eseguita dall’ADC è raziometrica. Il blocco di misura della temperatura è mostrato in Figura 8.
Figura 8: blocco di misura della temperatura
Durante un ciclo di misura, l’ADC può misurare soltanto una delle temperature in ingresso. La selezione del canale viene eseguita impostando opportunamente il bit TempMode (bit 3) nel registro Operation (indirizzo 0x02). Abbiamo a questo punto analizzato i principali blocchi analogici che compongono l’ATA6870. Ricordiamo che oltre ad essi sono presenti alcuni blocchi digitali (interfaccia di comunicazione SPI, controllore di interrupt, blocco di decodifica delle operazioni, e un timer a bassa frequenza), che però non ci interessano ai fini della funzionalità di rilevamento dell’interruzione del collegamento con le celle.
“BROKEN WIRE DETECTION”
Questo termine ben sintetizza una funzionalità importante e particolarmente interessante implementata dall’ATA6870. Esso è infatti in grado di rilevare l’interruzione del collegamento elettrico con i morsetti delle celle di batteria ad esso collegate. In Figura 9 possiamo osservare il circuito di base di un gruppo di batterie combinato con il dispositivo ATA6870. Possiamo notare la presenza di 7 collegamenti tra il sistema di gestione della batteria (detto anche BMS, acronimo di Battery Management System) e le celle di batteria, rappresentati dai fili che intersecano la linea tratteggiata verticale visibile nella parte sinistra dello schema. I principali pin del componente ATA6870 utilizzati per implementare questa funzionalità sono DISCH(i) e MBAT(i). La logica utilizzata per implementare la funzionalità è tanto semplice quanto efficace ed elegante. I passi su cui essa si articola sono i seguenti: 1) inizialmente viene eseguita una misurazione della tensione presente sulla cella i-esima, senza attivare il pin di uscita DISCH(i) 2) successivamente, si abilita l’uscita DISCH(i) 3) come al punto 1, si ripete nuovamente la misurazione della tensione presente sulla cella i-esima. Se al punto 3 (fase di scarica della cella) la tensione sulla cella i-esima è identica alla tensione della cella misurata senza attivare l’uscita DISCH(i) (quindi identica alla tensione misurata al punto 1), possiamo senz’altro affermare che il filo che collega il pin MBAT(i) con la cella non è interrotto. In caso contrario, saremo in presenza di un’interruzione del collegamento. Il metodo funziona sia in presenza di switch esterni di scarica che in loro assenza.
Figura 9: gruppo di batterie e ATA6870
CASO CON RESISTENZE DI BILANCIAMENTO
In Figura 10 è mostrato un esempio di applicazione della funzionalità di broken wire detection nel caso di struttura bilanciata, cioè in presenza di resistenze esterne di bilanciamento. Attivando il pin DISCH(i) si produrrà come effetto la commutazione del MOSFET di scarica esterno e lo sbilanciamento della tensione MBAT(i+1) - MBAT(i).
Figura 10: caso con resistenze di bilanciamento
CASO SENZA RESISTENZE DI BILANCIAMENTO
In questo caso, visibile in Figura 11, non è presente alcun circuito esterno in grado di sbilanciare la tensione delle celle presente sugli ingressi MBAT(i). Tuttavia, anche in questo caso è possibile mantenere valida la funzionalità di rilevamento delle interruzioni nel collegamento, come indicato in Figura 11. La struttura interna dei pin DISCH(i) dell’ATA6870 è sostanzialmente composta da un transistor e da una resistenza di pull-down. Se non vi è interruzione nel collegamento elettrico con la cella, le due differenze di tensioni (MBAT(i+2) – MBAT(i+1)) e (MBAT(i+1) – MBAT(i)) sono uguali. Se invece il collegamento è interrotto, le due differenze di tensioni saranno differenti.
Figura 11: caso senza resistenze di bilanciamento
