混合動力及電動汽車的電池管理技巧

     對于混合動力汽車（HEV）和電動汽車（EV）而言，使用鋰離子電池可在功率、能量密度、效率和環(huán)境影響之間取得最佳平衡。但同時，鋰離子電池也是易損壞和危險的，而汽車環(huán)境又相當棘手、難以應(yīng)付。混合動力汽車和電動汽車中電子產(chǎn)品面臨的挑戰(zhàn)是，如何彌補要求苛刻的汽車環(huán)境和電池敏感特性之間的差距。

　　考慮到汽車對能量、功率和環(huán)境的要求，安全、可靠地使用大型鋰離子電池組絕對不是一個簡單的任務(wù)。鋰離子電池以完全充電或完全滿放電狀態(tài)工作時，其容量會降低?？紤]到循環(huán)充電、電池組之間的差別和不同的環(huán)境條件，每節(jié)電池的容量都會隨著時間推移而降低并產(chǎn)生偏離。因此，要實現(xiàn)15年、5000個充電周期的目標，每節(jié)電池都必須保持在有限的工作范圍內(nèi)工作。通過控制每節(jié)鋰離子電池的充電狀態(tài)（SOC），可以最大限度地提高電池組的容量，同時盡可能地減緩容量的下降。確保高效率、安全地使用汽車電池組是電池管理系統(tǒng)（BMS）的責任。

　　電池管理系統(tǒng)的任務(wù)是仔細跟蹤和控制每節(jié)電池的充電狀態(tài)。電池管理系統(tǒng)的測量準確度至關(guān)重要，因為它決定了每節(jié)電池能工作在多么接近其可靠的充電范圍。最大限度地提高可用容量的能力決定了所需的電池數(shù)量，而電池數(shù)量對成本和重量有很大的影響。準確地測量每節(jié)電池的電壓相當困難，因為電池組中的電池易受高共模電壓和高頻噪聲的影響。為便于理解這一點，可以考慮以下事實：電動汽車/混合動力汽車的電池組通常由100至200個串聯(lián)的電池組成，電壓非常高。這類電池組必須提供可能超過200A的快速充電和放電電流，在電池組的頂端，電壓瞬態(tài)有可能超過100V。

　　對成本和可靠性的關(guān)注驅(qū)動著汽車電子產(chǎn)品向更高集成度、更少組件數(shù)的方向發(fā)展。在高度復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)中，這種趨勢尤其明顯，我們看到這類系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)了諸如凌力爾特的LTC6802等電池監(jiān)視IC。在新型電池管理系統(tǒng)中，這類高集成度器件是關(guān)鍵的數(shù)據(jù)采集組件，與之前的分立式解決方案相比，這類器件減少了成本、占用的空間以及組件數(shù)。

　　電池監(jiān)視器的主要功能是直接測量串聯(lián)電池的電壓，通常每個IC監(jiān)視12個通道。這類IC中還包括電池容量平衡控制和額外的測量輸入（如用于溫度的輸入）。為了管理高壓電池組，這類器件通常設(shè)計為通過菊花鏈式串行接口相互通信。電池管理系統(tǒng)中，通常不太可能集成到電池監(jiān)視IC中的元素就是嵌入式軟件。SOC算法是受嚴密保護的技術(shù)，針對化學組成、尺寸、外形、工作條件和應(yīng)用而定制。對于新型高壓、大功率電池組和嵌入式軟件而言，現(xiàn)有的算法可能并沒有價值，這使得故障機制效果分析（FMEA）變得復(fù)雜，此時系統(tǒng)設(shè)計工程師無法進行直接控制。圖1說明了由任意節(jié)電池組成的電池模塊的基本配置，其中電池管理系統(tǒng)的算法是軟件編碼的，并由開發(fā)商獨家控制。

圖1：電動/混合動力汽車電池模塊的基本拓撲。

　　電池監(jiān)視IC的一個關(guān)鍵考慮因素是，怎樣處理將會碰到的汽車噪聲。例如，很多電池監(jiān)視器采用快速SAR轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電池的數(shù)字化，在超過100個通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，這似乎能帶來很多好處。但是，汽車中的噪聲環(huán)境需要進行大量濾波，而且這種濾波決定了有效吞吐量（而非采樣率）?；谶@個原因，Delta Sigma ADC比SAR轉(zhuǎn)換器更有優(yōu)勢。對于給定的10kHz噪聲抑制量而言，每秒1000次采樣的ADC可提供與每秒100萬次采樣的SAR ADC相同的吞吐量。例如，LTC6802采用一個每秒1000次采樣的？？？ADC，該ADC在10ms時間內(nèi)可順序?qū)?0個輸入通道采樣。內(nèi)置的線性相位數(shù)字濾波器對10kHz開關(guān)噪聲提供36dB的噪聲抑制。要在10kHz時獲得相同的噪聲抑制，每秒100萬次采樣的SAR轉(zhuǎn)換器在每節(jié)電池上都需要一個轉(zhuǎn)角頻率為160Hz的單極RC濾波器（參見圖2）。RC濾波器的12位穩(wěn)定時間為8.4ms，即使SAR ADC能在10us時間內(nèi)順序?qū)?0個通道采樣，但由于濾波器的響應(yīng)，每8.4ms超過1次的掃描也是沒有意義的。

圖2：轉(zhuǎn)換器和采用RC電路的SAR轉(zhuǎn)換器的比較：轉(zhuǎn)換器以更好的濾波性能提供同樣的有效吞吐量。

　　如果有一長串電池監(jiān)視IC，那么串行接口也是一個重要的考慮因素，凌力爾特公司可提供兩種截然不同的選擇。一種選擇（也是大多數(shù)電池監(jiān)視IC所支持的）是菊花鏈式接口。采用菊花鏈式接口時，鏈中每個IC無需光耦合器或隔離器就可與相鄰IC通信，只留下底部的器件與單個微處理器或控制單元連接。此外，凌力爾特還提供第二種選擇，即采用單獨可尋址的串行接口。采用這種方案時，單個微控制器通過隔離與多個并聯(lián)器件通信。這種拓撲提供本身更加可靠的“星形配置”，因為失去與一個器件的通信并不會隔斷與其他任何器件的通信?？蓪ぶ菲骷€可用在經(jīng)過修改的菊花鏈式拓撲中，在這種拓撲中，相對昂貴的隔離器已經(jīng)成為過去，取而代之的是較便宜的“晶體管化”SPI總線配置。最終可獲得具有極寬兼容范圍的串行接口。

　　經(jīng)過兩年的生產(chǎn)和經(jīng)過實踐檢驗的設(shè)計，凌力爾特推出了第二代器件。對比第一代和第二代器件，可以對未來高壓電池系統(tǒng)的發(fā)展方向有一些深入的了解。LTC6803的主要目標之一是即使在最極端的噪聲情況下，也能確保無差錯通信。對所有指令和數(shù)據(jù)都進行包誤差檢測，以確保通信完整性。LTC6803系列還繼續(xù)支持菊花鏈式和單獨可尋址串行通信，同時LTC6803菊花鏈能承受超過20V的AC噪聲和30V的快速開關(guān)尖峰，而不會產(chǎn)生誤差（圖3）。

圖3：第二代菊花鏈可抵抗強噪聲。

　　LTC6803具有獨立的電源輸入，該輸入可被斷開，同時其他連接保持完好無損（圖4a）。在這種硬件停機的情況下，LTC6803僅汲取幾個nA的電流。這對電池組的長期儲存很重要，因為集成的電池管理系統(tǒng)所消耗的電流有可能使電池組中的電池容量失衡。LTC6803還可以用一個獨立的電源工作，從而允許從一個單獨的電源而非電池組中汲取電源電流。如圖4b所示，該器件還允許使用簡單的斷電功能。此外，采用單獨的電源時，即使所有電池電壓都已急劇下降（在使用超級電容器和燃料電池時可能出現(xiàn)），LTC6803仍可繼續(xù)監(jiān)視大量電池。圖4c說明了擁有獨立電源輸入的優(yōu)點。

圖4a：硬件停機。

圖4b：獨立電源供電。

圖4c：電源電流與工作模式的關(guān)系。

　　汽車中日益增多的電子產(chǎn)品日益正在驅(qū)動有關(guān)汽車電子產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的新標準產(chǎn)生。因此，涌現(xiàn)了諸如AEC Q100和ISO 26262等汽車電子產(chǎn)品標準。這些標準轉(zhuǎn)化成了廣泛的限定條件和內(nèi)部功能，以確保滿足系統(tǒng)安全要求。例如，LTC6803是與ISO 26262兼容的系統(tǒng)。ISO 26262是一個功能性的安全標準，定義了汽車系統(tǒng)的安全要求，并對系統(tǒng)級設(shè)計問題產(chǎn)生影響，如冗余度、網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)收集、傳感器等等。LTC6803內(nèi)置了導(dǎo)線開路檢測、數(shù)字濾波器檢測、多路復(fù)用器解碼器檢測以及看門狗定時器和一個冗余電壓基準，以實現(xiàn)全面的自測試能力。

　　LTC6803還包含很多其他的改進，以滿足標準汽車設(shè)計之外的需求。例如，LTC6803提供-300mV至5V的擴展測量范圍，該范圍支持監(jiān)測超級電容器和鎳氫金屬電池。LTC6803的技術(shù)規(guī)格針對-40°C至125°C的工作溫度范圍全面擬定，該器件還能承受高達75V的電源電壓，以提供超過20%的過壓裕度。

圖5：LTC6803的內(nèi)部自測試功能。

　　汽車環(huán)境對電子產(chǎn)品而言非常嚴酷，但汽車的日益電氣化也是無可辯駁的事實。電動汽車和混合動力汽車中的鋰離子電池系統(tǒng)不久將成為主流，而諸如LTC6803等尖端測量器件是鋰離子電池系統(tǒng)的關(guān)鍵成功因素。不僅需要這類器件來實現(xiàn)準確測量，而且這些器件必須能在非?？量痰臈l件下長期可靠工作。LTC6802已被證明有良好的發(fā)展軌跡，毫無疑問，在未來的汽車市場上，LTC6803將繼續(xù)LTC6802的輝煌。