電池芯的電池組監(jiān)控IC詳解

     電池芯、超級(jí)電容和燃料電池芯都需要小心監(jiān)護(hù)，以擴(kuò)展諸如電動(dòng)汽車和混合型汽車中的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的使用范圍，延長其壽命，并確保其安全性（圖1）。電池正在一系列汽車應(yīng)用中得到發(fā)展。微型混合型汽車采用傳統(tǒng)的12V鉛酸電池，并有交流發(fā)電機(jī)-電機(jī)單元，汽車停車時(shí)可以讓引擎停機(jī)。當(dāng)踩下油門時(shí)，引擎會(huì)順滑地起動(dòng)，然后正常運(yùn)行。而混合型汽車有更大的電池，如豐田公司的Prius、本田公司的Insight和雪佛蘭的Volt。這些電池產(chǎn)生的電壓超過200V。傳統(tǒng)電池芯的化學(xué)類型是NiMH（鎳金屬-氫化物），但很多鋰化學(xué)技術(shù)能在某種重量下提供更高的能量（圖2）。全電動(dòng)汽車（如Tesla的Roadster和尼桑的Leaf）都有最大的電池，它們電池組的電壓范圍從300V-400V。

　　圖2，電動(dòng)汽車與UPS應(yīng)用都可能使用多種電池類型，它們都需要用電池組測量IC作監(jiān)控（Linear Technology公司提供）。

　　電池電壓越高，在給定功率下的電流就會(huì)越低，從而減小了昂貴銅線電纜的直徑。更重要的是，較高的電壓可以采用較大輸出的電機(jī)繞組。2004年，豐田為Prius增加了一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，將電池組電壓從200V升高至500V。這一步驟使豐田重新設(shè)計(jì)了推進(jìn)電機(jī)，將扭矩從350 Nm提高到400 Nm，而功率從33 kW提高到50 kW。

　　數(shù)據(jù)中心亦將300V電池串用于UPS（不間斷電源）備份電源。在這種應(yīng)用中，鋰離子電池正在替代鉛酸電池。汽車?yán)昧虽囯x子更好的重量能量密度，即每磅或每千克的能量。UPS應(yīng)用則利用了鋰離子電池的體積能量密度。數(shù)據(jù)中心的空間都很昂貴，盡管鋰離子電池系統(tǒng)價(jià)格可能較高，但它占據(jù)的空間只有鉛酸電池系統(tǒng)的四分之一。這一事實(shí)通常能讓數(shù)據(jù)中心將電池和轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)放在一間屋子里。有些數(shù)據(jù)中心正在考慮去掉轉(zhuǎn)換器，而將直流電源輸送給可以接受直流輸入的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。

　　由于鋰離子電池的尺寸小，它們?cè)陔娋W(wǎng)級(jí)應(yīng)用中可獲得與數(shù)據(jù)中心相同的效益。有些電網(wǎng)級(jí)方案傾向采用燃料電池，而高壓燃料電池組要求與電化學(xué)電池相同的精心監(jiān)護(hù)。燃料電池芯還有特殊要求，在使用期間燃料電池芯有兩種極性，會(huì)表現(xiàn)出多種故障模式。IC制造商正在使自己的電池組監(jiān)護(hù)芯片適應(yīng)于承受這些電池芯的負(fù)電壓。

　　當(dāng)監(jiān)護(hù)超級(jí)電容組時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類似的問題。用戶希望獲得電容的全部能量，而這樣就意味著要將其放電至0V。如果出現(xiàn)這種情況，則介電效應(yīng)將使電容出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電壓，一般可達(dá)-0.5V。有些IC制造商正在改進(jìn)自己的電池組芯片，使之能承受負(fù)電勢。超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量少于電池或燃料電池，因此較少用于高能應(yīng)用（見附文1“電池的化學(xué)特性”）。

　　電池芯監(jiān)控

　　汽車與UPS制造商都希望精確地監(jiān)控一個(gè)電池組中的每只電池芯。Analog Devices公司混合與電動(dòng)汽車行業(yè)營銷經(jīng)理Paul Maher說：“你肯定不愿因?yàn)橐恢粔碾姵匦径屍囃Ｏ聛?，但過熱情況下就得停車了。”對(duì)汽車電池的監(jiān)控非常關(guān)鍵。他補(bǔ)充說：“一臺(tái)筆記本電腦的電池預(yù)計(jì)可使用兩年，但一個(gè)汽車電池組應(yīng)可持續(xù)10年。”

　　測量必須很精確，因?yàn)閿?shù)毫伏電壓可能代表著大量的電荷。測量有一種共模問題，它要在有數(shù)百伏共模電勢情況下，嘗試對(duì)電池芯的精確測量。這種測量不是可以使用集成ADC的直流測量。電池電壓可能以千赫的速率做改變，原因是電機(jī)變頻器電路的斬波動(dòng)作。此外，測量系統(tǒng)還需要有隔直措施，因?yàn)殡姵仉妷汉芪ｋU(xiǎn)。芯片必須耗電很低，這樣才不會(huì)消耗掉電池能量。除了測量本身的困難以外，還必須將測量結(jié)果送至汽車或數(shù)據(jù)中心的多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。

　　電池組監(jiān)控電路的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是精度。現(xiàn)代鋰離子電池芯有一個(gè)平坦的放電曲線。德州儀器公司功率營銷經(jīng)理Matthew Borne稱：“在對(duì)電池芯的充電狀態(tài)估測時(shí)，5 mV的測量誤差代表10%的錯(cuò)誤。”必須停止電池的放電，否則會(huì)損壞電池，因此較高的精度直接對(duì)應(yīng)著更大的范圍；一個(gè)4V電池芯上的8 mV準(zhǔn)確度對(duì)應(yīng)0.2%的精度。要提供0.2%的系統(tǒng)精度，電壓基準(zhǔn)在時(shí)間和溫度上的精度都必須為約0.1%。

　　一旦獲得了足夠的精度，就面臨著另一個(gè)問題：測量一只可能與十幾只其它電池芯串聯(lián)的4V電池芯。如果打算用衰減器來測量電池芯電壓，就可能需要精密電阻分壓器（見附文2“共模問題”）。薄膜電阻并不夠精確，不能隨溫度而保持足夠緊密的跟蹤性。

　　電容可以充到電池芯電壓，然后將它們切換到一個(gè)以機(jī)架為基準(zhǔn)的電勢。這種所謂的飛電容（flying-capacitor）方法可以工作，但有缺點(diǎn)。例如，Maxim Integrated Products公司的汽車與工業(yè)電池產(chǎn)品業(yè)務(wù)

　　經(jīng)理Stephen G LaJeunesse認(rèn)為，電容會(huì)開始在不同電勢的電池芯之間傳送失配的電荷。他說：“它們還需要大電壓開關(guān)，而這些開關(guān)有自身的損耗，”從而降低了電路的效率。

　　Linear Technology公司資深科學(xué)家Jim Williams開發(fā)了一種新穎電路，采用小型廉價(jià)變壓器查詢每只電池芯的電壓（圖3與參考文獻(xiàn)3）。電路工作情況良好，但變壓器增加了成本，也會(huì)由于震動(dòng)而出現(xiàn)故障。

圖3，本電路解決了共模電壓的測量問題，方法是通過一個(gè)小型隔離變壓器，傳送電池芯電壓與二極管壓降。

　　電池組監(jiān)控IC的制造商避免共模問題的方法是將芯片浮接在電池組的電壓上。它們將模擬測量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后將這些數(shù)字位下送給其它芯片的daisy鏈。這個(gè)步驟可去掉系統(tǒng)中的電阻衰減器，并且測量中不會(huì)有任何的共模衰減誤差（圖4）。

　　將測量芯片置于daisy鏈中，還有其它重要的要求。它需要一個(gè)隔離絕緣器，而不是多個(gè)。幾十年前，工程師們要通過絕緣屏障來傳送模擬電壓。電池組監(jiān)控芯片結(jié)構(gòu)是當(dāng)前的趨勢。測量模擬電壓，然后將該電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字位。將數(shù)字化數(shù)據(jù)傳送過一個(gè)隔直屏障有很多種方法（參考文獻(xiàn)4）?？梢圆捎霉怦睢⒏糁彪娙?、變壓器隔離器、RF隔離器，甚至是磁致伸縮隔離器。如果是通過隔離屏障發(fā)送模擬電平，則可以采用delta-sigma調(diào)制器，如Avago的產(chǎn)品。

　　一旦確保了精確測量，并解決了共模問題，還必須確認(rèn)滿足了設(shè)計(jì)的功率要求。電池組本身能為大多數(shù)電池監(jiān)控IC提供電源，而這意味著會(huì)耗盡未充電電池的電能。另外同樣重要的是，每個(gè)芯片都必須有相同的功耗，這樣某只芯片的功耗就不會(huì)超過周邊芯片，從而造成一組電池芯的不平衡。另外，也可以用汽車電池或外接電源提供隔離電源，如Analog Devices公司為其監(jiān)控芯片所做的那樣（圖5）。這樣，監(jiān)控電路就不會(huì)消耗動(dòng)力電池的能量。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)時(shí)，必須要在某個(gè)通信鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)。有些制造商會(huì)將一種簡單的局域串行協(xié)議（如串行外設(shè)接口SPI）轉(zhuǎn)換為一種高級(jí)協(xié)議，如CAN（控制器局域網(wǎng)）總線。CAN通信在汽車中的應(yīng)用已有幾十年時(shí)間，證明了其可靠性。

　　這些對(duì)測量系統(tǒng)的考慮還只是基本需求。為了滿足汽車制造商對(duì)可靠性和責(zé)任的關(guān)切，我們必須測量電池組中的每個(gè)芯。為了盡量減少所需要的測量轉(zhuǎn)換器數(shù)量，大多數(shù)IC制造商都在自己的電池組監(jiān)控芯片中采用了高壓、有故障保護(hù)的多工器，使芯片能夠精確地測量4只？12只電池芯，然后將測量結(jié)果通過一個(gè)串行總線，傳送給daisy鏈上的下一只芯片。

　　當(dāng)裝配工人或機(jī)器采用熱插拔更換方法，將測量電路連接到電池上時(shí)，就產(chǎn)生了另一個(gè)重要的可靠性問題。這種方法并不能保證工人先連接上哪只電池芯。對(duì)任意電池芯檢測線的隨意連接會(huì)向硅核心中注入大量電流。Maxim公司的JaJeunesse認(rèn)為芯片必須有加固的節(jié)點(diǎn)，他指出芯片并不需要介電絕緣工藝。他說：“DMOS和CMOS已經(jīng)做了這個(gè)工作，但你必須知道電路元件的偏置方法，以及內(nèi)部如何短接晶體管阱和柵?！彼嬲]IC設(shè)計(jì)者，要用導(dǎo)環(huán)來解決熱載流子的注入問題。

　　大多數(shù)制造商都同時(shí)提供外部和片上的溫度檢測，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠測量出環(huán)境溫度和電池芯溫度。然后，設(shè)計(jì)者可以在充電與安全算法中增加這些溫度因數(shù)。可靠性問題也使得汽車制造商提出了對(duì)全冗余測量系統(tǒng)的要求（圖6）。在這些結(jié)構(gòu)中，一組daisy鏈接的芯片做測量，另一組芯片則用設(shè)定了最大最小極限值的比較器，監(jiān)控測量情況給出了這些效應(yīng)的演示圖）。Intersil等制造商都努力保證芯片之間的串行通信是無源的，原因是：如果一只芯片出現(xiàn)電氣失效情況，它仍然能讓daisy鏈上的所有其它芯片的通信通過。大多數(shù)的電池組測量芯片還有雙向串行通信，可以用自己系統(tǒng)的BMU（電池管理單元）微控制器查詢芯片，以確保芯片的上電和工作。

監(jiān)控測量情況

　　除了這種系統(tǒng)級(jí)冗余以外，很多制造商還在自己的芯片中建立了冗余和自檢功能。

　　Intersil公司汽車產(chǎn)品營銷經(jīng)理Kenneth Lenk表示這類芯片包含了多種電壓基準(zhǔn)。他補(bǔ)充說，該公司亦在自己的芯片中加入了隱藏的DAC，用于校正和自檢。

　　很多制造商都強(qiáng)調(diào)說，他們的器件擁有無源的通信鏈接。這些鏈接即使在芯片失效時(shí)也能繼續(xù)工作。Analog Devices公司精確放大器系列產(chǎn)品經(jīng)理Sam Weinstein稱，制造商不僅要建立內(nèi)部的冗余，還要確保冗余安全芯片的運(yùn)行。他指出，BIST（內(nèi)置自檢）很昂貴，但這是滿足汽車業(yè)要求的基礎(chǔ)。

　　一個(gè)工程化委員會(huì)正在將汽車電池組系統(tǒng)的失效保護(hù)以及冗余功能做到ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）26262標(biāo)準(zhǔn)中，ISO組織預(yù)計(jì)將在今年發(fā)布該標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)人員采用了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)后，就能為他們提供電動(dòng)汽車中模擬、數(shù)字和軟件部件的完整指南。德州儀器、Analog Devices、意法半導(dǎo)體和恩智浦等公司都在提供用于這些任務(wù)關(guān)鍵的先進(jìn)傳動(dòng)模塊的模擬與數(shù)字硬件。

　　電池環(huán)境

　　除了汽車電池組的測量以外，還必須使系統(tǒng)能在現(xiàn)代汽車所經(jīng)歷的惡劣環(huán)境下生存。所有這些元件都會(huì)遭受到震動(dòng)與加速度。例如在鐵道上通過鎖鏈懸掛運(yùn)輸汽車時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大加速度，表面安裝芯片和無源元件都要防震。

　　系統(tǒng)還必須能承受較消費(fèi)電子更寬的溫度范圍。例如，電池芯無法承受+125°C的溫度。并且，大多數(shù)芯片可以工作到+85°C的溫度，Maxim和Analog Devices公司的芯片可工作到+105°C。Intersil和其它制造商提供能在汽車制造商指定溫度下工作的芯片。低溫也會(huì)產(chǎn)生問題。晶體管基射結(jié)電壓和互導(dǎo)會(huì)隨溫度的降低而上升，從而造成放大器的振蕩。

　　電池組測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須能承受EOS（電氣過載）。例如，當(dāng)某個(gè)技工斷開一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)中引擎的電池電纜，以確定交流發(fā)電機(jī)是否在工作時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。此時(shí)，交流發(fā)電機(jī)會(huì)向電氣系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)100V脈沖。盡管電動(dòng)汽車電池組芯片可能不會(huì)遭受到這種壓力，但母線連接的電池芯則可能在大電流流過時(shí)遭到損壞，因?yàn)樵陔姵仉妷荷袭a(chǎn)生了一個(gè)大的過沖。

　　EMI會(huì)干擾測量，是電動(dòng)汽車中的最大環(huán)境挑戰(zhàn)之一（圖7）。所有走線和高阻節(jié)點(diǎn)都會(huì)受EMI影響，EMI可能破壞對(duì)電池芯電壓的測量。據(jù)Linear Technology公司應(yīng)用經(jīng)理Tim Regan稱，交流紋波可能到處都是。這種紋波來源于轉(zhuǎn)換器的斬波頻率，并加到電機(jī)的電噪聲上。

　　Regan補(bǔ)充說：“基本的去耦方法就很有效?！辈贿^，去耦只是一個(gè)開始。還必須注意噪聲源、PCB（印刷電路板）布局，以及屏蔽等。

圖7，這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)可向測量系統(tǒng)注入電流，以確保芯片可以承受大電流。

　　覆箔的盒子隔離了外部的輻射，因此不會(huì)影響測量（Linear Technology公司提供）。

　　一旦從測量中去除了EMI，還需要考慮EMI可能造成daisy鏈中各芯片之間串行通信的損失。芯片之間的通信鏈路可能有不同的長度。Intersil公司的Lenke說：“整個(gè)鏈路上可能有400V?600V的電勢?！?/P>

　　電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)者還必須處理磁場的問題，磁場源于在汽車充電器、電池和電機(jī)之間來回穿梭的大電流。屏蔽磁場非常困難，需要沉重的金屬板或鋼板才能將磁場與電子元件隔離開來。與所有其它噪聲問題一樣，解決這一問題的好方法是在源頭抑制。要將所有大電流都局限在小的回路區(qū)域內(nèi)。

　　在汽車電池組監(jiān)控系統(tǒng)中，成本是最重要的問題。面向大眾市場的汽車不可能在電池組中裝十幾只60美元的芯片。在這個(gè)意義上，汽車設(shè)計(jì)要比軍用設(shè)計(jì)困難得多，因?yàn)槠嚬静豢赡芡度霟o限的資金，去解決震動(dòng)、溫度以及市場的高性能需求問題。Linear公司信號(hào)調(diào)整產(chǎn)品的總經(jīng)理Erik Soule認(rèn)為，芯片必須有高性能和低成本，可以大批量供應(yīng)，有很好的成品率。

　　模擬公司的電池組監(jiān)控芯片已獲得了可觀的進(jìn)展。器件必須有高精度、小尺寸，以及良好的特性，因?yàn)閼?yīng)用中有EMI和電氣應(yīng)力。汽車制造商要求有冗余和故障保護(hù)。雖然供應(yīng)商能提供*估板，然而，如果直接將該板用于系統(tǒng)的某個(gè)地方，它是否能正常工作尚存疑問。你必須了解應(yīng)用中的測量、噪聲和干擾問題，然后才能采用好的設(shè)計(jì)和布局技術(shù)。通過精心的設(shè)計(jì)和審慎的屏蔽，制作出的監(jiān)控系統(tǒng)能使一輛汽車推進(jìn)系統(tǒng)持續(xù)工作10年以上。

　　附文1：電池的化學(xué)特性

　　電池芯制造商經(jīng)常發(fā)表報(bào)告稱贊自己的電池是多么完美，但你需要閱讀一下電池芯用戶的*論，才能獲得有關(guān)該電池芯化學(xué)特性局限性的真實(shí)概念（參考文獻(xiàn)A）。鋰離子電池芯有平坦的放電曲線，因此必須測量到毫伏精度（圖A）。

　　鋰離子電池芯的過充或滿充下的存儲(chǔ)都會(huì)造成損壞。與大多數(shù)其它電池芯的化學(xué)特性類似，將鋰離子電池芯放電至0%也會(huì)造成損壞（圖B）。因此，雪佛蘭Volt的電池管理系統(tǒng)會(huì)將汽車的16 kWhr電池充至90%，并在25%容量時(shí)停止放電。這種方法獲得的可用電池容量為10.4 kWhr，但延長了循環(huán)壽命。

　　電池設(shè)計(jì)者必須在能量密度與功率密度之間作出權(quán)衡（圖C）。一只擁有可接受能量密度的電池存儲(chǔ)了大量能量，但必須緩慢釋放。而有可接受功率密度的電池有低的內(nèi)阻，因此大的功率脈沖也不致造成電池芯的損壞。

　　盡管將一只電池芯放電至0%可能造成損壞，但不會(huì)危及用戶。而另一方面，電池芯的過充則可能產(chǎn)生威脅。任何電池芯中的過高電流都會(huì)造成電池芯升溫、沸騰，甚至爆炸。鋰離子電池芯在這點(diǎn)上尤其成問題。有些鋰離子電池芯電極易燃，因?yàn)殡姵匦局惺卿嚱饘?。傳說Tesla與雪佛蘭公司都曾在測試期間由于電池組失火而損毀了汽車。較老的鋰離子電池采用鈷，最容易失火。短路與刺穿都可以提供足以產(chǎn)生一個(gè)導(dǎo)電等離子體的能量，從而造成鄰近電池芯的更多短路。

　　較新型的磷酸鐵鋰離子芯不太容易著火；它們只會(huì)發(fā)出滋滋聲和緩慢發(fā)熱。由于這個(gè)原因，多數(shù)大型汽車公司都使用磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池的缺點(diǎn)是其重量能量密度要小33%?50%，從而使電池更重。因此，主要的汽車公司對(duì)任何不同的推進(jìn)系統(tǒng)（如電動(dòng)汽車所使用的）都很謹(jǐn)慎。

參考文獻(xiàn):

[1]. Maxim datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/Maxim_1062568.html.
[2]. 100V datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/100V_1748275.html.
[3]. PCB datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.