用電子器件提高電動汽車的電池性能

　　混合動力電動型汽車電池中的電子器件是提高性能和安全性的關(guān)鍵。在集成電路設(shè)計領(lǐng)域的新技術(shù)使電池組設(shè)計師能進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能。更高的測量準(zhǔn)確度、更堅固的數(shù)據(jù)鏈路和電池容量的主動電荷平衡都幫助實現(xiàn)了更低的成本、更長的行駛周期和更快的充電。

　　典型的電池組方框圖（圖1）由幾組串聯(lián)連接的鋰離子電池組成，它們的測量和平衡由高壓模擬集成電路完成。這些模擬前端（AFE） IC執(zhí)行艱難的測量每節(jié)電池電壓、電流和溫度的任務(wù)，并向控制電路傳遞數(shù)據(jù)?？刂破鬟\(yùn)用電池數(shù)據(jù)計算電池組的電荷狀態(tài)和健康狀態(tài)。控制器可能命令前端IC給某些電池充電或放電，以在電池組內(nèi)保持平衡的電荷狀態(tài)。

　　BATTERY PACK:電池組

　　DATA PORT:數(shù)據(jù)端口

　　CONTROLLER:控制器

　　State of Charge:電荷狀態(tài)

　　State of Health:健康狀態(tài)

　　System Safety:系統(tǒng)安全

　　DATA BUS:數(shù)據(jù)總線

　　ISOLATION BARRIER:隔離勢壘

　　MEASURE & BALANCE:測量與平衡

　　12 SERIES LI-ION CELLS:12節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池

　　圖1:電池組方框圖

　　更高的準(zhǔn)確度意味著更低的成本

　　模擬前端IC的測量準(zhǔn)確度對系統(tǒng)成本有直接影響。需要準(zhǔn)確的測量以實現(xiàn)有用的電荷狀態(tài)（SOC）計算。為了實現(xiàn)長壽命，電池組一般在20%至80%的SOC之間工作。如果在SOC計算中有5%的不確定性，那么電池組的尺寸就必須增大5%,這導(dǎo)致電池的成本顯著增大。給一個16kW-hr電池組增加5%的容量，需要約360歐元（460美元）。改進(jìn)SOC計算以實現(xiàn)1%的誤差意味著，每個電池組能節(jié)省約300歐元（385美元）。

　　電池電壓測量是SOC算法的關(guān)鍵要素。當(dāng)測量3.3V LiFePO4（磷酸鐵鋰）電池時，IC電源和電池組開發(fā)人員都集中采用總測量誤差1mV的規(guī)格。

　　對于諸如售價480歐元（615美元）的Fluke-289手持式萬用表等實驗室設(shè)備，測量3.3V至1mV以內(nèi)的電壓是司空見慣的。AFE IC必須以1/100的成本提供相同的性能，并在汽車環(huán)境中連續(xù)工作15個年。只有為數(shù)不多的IC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

　　真實世界中的準(zhǔn)確度

　　什么樣的IC技術(shù)最適合電池測量呢？答案可從圖2（典型AFE IC的方框圖）的誤差分析獲得。12個串接電池之一由多路復(fù)用器（MUX）模塊來選擇。通過閉合“S”開關(guān)把電池電壓存儲在一個電容器上。斷開“S”開關(guān)，然后閉合“T”開關(guān)。電池兩端的電壓將轉(zhuǎn)移至ADC.這種“飛跨電容器”方案消除了頂端電池33V的大共模電壓，并保持了3.3V的差分電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將電池電壓與其電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，并產(chǎn)生一個與VCELL和VREF之比成比例的數(shù)字結(jié)果。

　　DATA I/O:數(shù)據(jù)I/O

　　VOLTAGE REFERENCE:電壓基準(zhǔn)

圖2:典型模擬前端IC

　　如果開關(guān)的阻抗太大，無法在很短的采樣時間內(nèi)給電容器充電，那么MUX和飛跨電容器就可能引入測量誤差。細(xì)致的開關(guān)電容器設(shè)計可消除這個誤差項。

　　由ADC進(jìn)行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換還可能由于器件失配而引入誤差。其次，細(xì)致的設(shè)計與器件微調(diào)相結(jié)合，可降低ADC引起的誤差。

　　AFE IC的基本限制來自電壓基準(zhǔn)

　　假如電壓基準(zhǔn)下降了1%,則所有的讀數(shù)都將增加1%.電壓基準(zhǔn)是由某種物理量產(chǎn)生的，可以是反向偏置PN結(jié)的雪崩擊穿（一個齊納基準(zhǔn)）、兩個基極-發(fā)射極電壓之差（一個帶隙基準(zhǔn)）、或一個電容器上存儲的電荷（一個EPROM基準(zhǔn)）。每個AFE IC在生產(chǎn)中都進(jìn)行了微調(diào)，以使電壓基準(zhǔn)的初始值非常準(zhǔn)確。不幸的是，視IC技術(shù)的不同而不同，電壓基準(zhǔn)可能隨著時間、溫度、濕度和印刷電路板（PCB）組裝應(yīng)力的不同而產(chǎn)生極大的變化。這導(dǎo)致一些IC廠商只提出“典型”準(zhǔn)確度，而關(guān)于AFE IC在真實世界中會怎樣表現(xiàn)則未提供指導(dǎo)。

　　要在嚴(yán)酷的汽車環(huán)境中運(yùn)行，最佳技術(shù)是齊納基準(zhǔn)。數(shù)年來，凌力爾特新的LTC6804 AFE電池組監(jiān)視器IC運(yùn)用齊納電壓基準(zhǔn)技術(shù)，以保持優(yōu)于所需的準(zhǔn)確度。LTC6804比前一代產(chǎn)品有了顯著改進(jìn)，前一代產(chǎn)品依靠帶隙電壓基準(zhǔn)。例如，考慮PCB組裝所產(chǎn)生的應(yīng)力。AFE IC在焊接過程中會遭受幾種熱沖擊。在塑料封裝和銅引線框架的膨脹和收縮過程中，芯片會經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力。帶隙基準(zhǔn)的表現(xiàn)就像一個應(yīng)變計，將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)電壓的變化。電壓基準(zhǔn)的任何變化都會直接降低電池測量的準(zhǔn)確度。PCB器件應(yīng)力的影響示于圖3,在熱沖擊之前和之后對10個AFE IC（3種類型）進(jìn)行了測量?；鶞?zhǔn)漂移以電池測量誤差（單位是mV）來表示（假設(shè)采用的是一個3.3V電池）。

　　mV of additional measurement error due to PCB assembly:由于PCB組裝而產(chǎn)生的額外測量誤差（單位mV）

　　Number of units out of 10:來自10個器件的個數(shù)

　　Competitor:競爭對手的器件

　　Hours in the test chamber with, then without a cup of water:在有、然后是沒有一杯水的測量室中的時間（小時）

　　mV of additional measurement error due to humidity:由于濕度而產(chǎn)生的額外測量誤差（單位mV）

　　Competitor:競爭對手的器件

Years of Operation:工作年限

　　mV of additional measurement error due to long term reference drift:由于長期基準(zhǔn)漂移而產(chǎn)生的額外測量誤差（單位mV）

　　LTC6802 Worst Case Measured bandgap Drift:LTC6802在最差情況下測得的帶隙漂移

　　LTC6804 Worst Case Measured Zener Drift （data from LT1021）：LTC6804在最差情況下測得的齊納漂移（數(shù)據(jù)來自LT1021）

Years of Operation:工作年限

　　mV of additional measurement error due to long term reference drift:由于長期基準(zhǔn)漂移而產(chǎn)生的額外測量誤差（單位mV）

　　Estimated mV Error = X * 3.3. / （SQRT[hours/1000]） / 1000:估計的mV誤差 = X * 3.3/ [√ （小時/1000）] / 1000

　　LTC & other bandgap based AFE IC's:LTC6802和其他基于帶隙的AFE IC

　　圖3:生產(chǎn)之后的測量誤差。由于真實世界因素（a）PCB組裝應(yīng)力、（b）濕度變化、（c）所測得的基準(zhǔn)漂移和（d）估計的長期基準(zhǔn)漂移而產(chǎn)生的3.3V電池測量誤差。