適用于大功率電池組的電池管理架構(gòu)

汽車和工業(yè)設(shè)備制造商一般要求電池壽命超過 10 年，這些制造商還會(huì)規(guī)定所需的可用電池容量。對(duì)電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的挑戰(zhàn)是如何用最小的電池組實(shí)現(xiàn)最大的容量。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，電池系統(tǒng)必須用精準(zhǔn)的電子組件仔細(xì)控制和監(jiān)視電池。

大功率電池組系統(tǒng)
用于電動(dòng)汽車或工業(yè)設(shè)備的大功率電池組系統(tǒng)由很多串聯(lián)疊置的電池組成。一個(gè)典型的電池組含有的電池可能有 96 個(gè)之多，就充電至 4.2V 的鋰離子電池而言，總共能產(chǎn)生超過 400V 的電壓。

盡管系統(tǒng)將電池組看作單個(gè)高壓電池，對(duì)電池組中的電池同時(shí)充電或放電，但是電池控制系統(tǒng)必須獨(dú)立考慮每一個(gè)電池的狀態(tài)。如果電池組中一個(gè)電池的容量比其他電池略低，那么經(jīng)過多個(gè)充電/放電周期之后，其充電狀態(tài) (SOC) 將逐漸偏離其余的電池。如果這節(jié)電池與其余電池的充電狀態(tài)沒有周期性地進(jìn)行均衡，那么該電池最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而損壞，并最終導(dǎo)致電池組故障。因此，必須監(jiān)視每節(jié)電池的電壓，以確定充電狀態(tài)。此外，還必須預(yù)先采取措施，使電池能單獨(dú)充電或放電，以均衡電池之間的充電狀態(tài)。

與監(jiān)視系統(tǒng)通信
電池組監(jiān)視系統(tǒng)需要考慮的一個(gè)重要因素是通信接口。就印刷電路板 (PCB) 內(nèi)部的通信而言，常見的選擇包括：串行外圍接口 (SPI) 總線；內(nèi)置集成電路 (I2C) 總線。這兩種接口的通信開銷都很低，適合于低干擾環(huán)境。

另一種選擇是 CAN 總線，該接口在汽車應(yīng)用中得到了廣泛采用。CAN 總線非常可靠，具有差錯(cuò)檢測(cè)和容錯(cuò)能力，但是通信開銷很大，材料成本很高。盡管從電池系統(tǒng)到主 CAN 總線有一個(gè)接口也許是可取的，但在電池組內(nèi)部，SPI 或 I2C 通信是有利的。

諸如凌力爾特的 LTC6802 電池組監(jiān)視器 IC 等器件測(cè)量由多達(dá) 12 節(jié)電池組成的電池組的電壓，多個(gè) LTC6802可以從電池組的低端到頂端串聯(lián)疊置，該器件還有內(nèi)部開關(guān)，允許單節(jié)電池放電，以使該電池與電池組中其余電池的容量達(dá)到均衡狀態(tài)。

為了說明這種電池組架構(gòu)，我們考慮一個(gè)有 96 節(jié)鋰離子電池的系統(tǒng)。監(jiān)視整個(gè)電池組需要 8 個(gè)電池組 IC，每個(gè)器件都以不同的電壓工作。

采用 4.2V 鋰離子電池，底端監(jiān)視器件監(jiān)視 12 個(gè)電池，電壓從 0V 至 50.4V。下一組電池的電壓范圍為 50.4V 至 100.8V，沿著電池組向上依此類推。

這些器件以不同電壓工作，它們之間的通信帶來了巨大挑戰(zhàn)。人們已經(jīng)考慮了各種方法，考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的側(cè)重點(diǎn)不同，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

電池監(jiān)視的要求
在確定電池監(jiān)視系統(tǒng)的架構(gòu)時(shí)，至少需要均衡 5 個(gè)主要的要求。這些要求的相對(duì)重要性視最終客戶的需求和期望的不同而不同。

1.準(zhǔn)確度：為了充分利用最大的電池容量，電池監(jiān)視器必須是準(zhǔn)確的。不過，汽車和工業(yè)系統(tǒng)充滿噪聲，電磁干擾存在于很寬的頻率范圍內(nèi)。準(zhǔn)確度有任何損失都將給電池組的壽命和性能帶來負(fù)面影響。

2.可靠性：無論使用什么樣的電源，汽車和工業(yè)制造商都必須滿足極高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。此外，某些電池的高能量容量和潛在的易變性也是主要的安全隱憂。在保守條件下停機(jī)的故障保險(xiǎn)系統(tǒng)比較適合災(zāi)難性電池故障，盡管這種系統(tǒng)有可能不幸使乘客滯留或使生產(chǎn)線暫停。因此，電池系統(tǒng)必須仔細(xì)監(jiān)視和控制，以確保在系統(tǒng)的整個(gè)壽命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面控制。為了最大限度地減少虛假和真實(shí)故障，一個(gè)良好設(shè)計(jì)的電池組系統(tǒng)必須保證可靠的通信、采用可最大限度地減少故障的模式、和具備故障檢測(cè)。

3.可制造性：新式汽車中含有種類繁多的電子組件和復(fù)雜的布線線束。增加復(fù)雜的電子組件和配線以支持電動(dòng)汽車 / 混合電動(dòng)汽車 (EV/HEV) 電池系統(tǒng)會(huì)給汽車制造帶來更多挑戰(zhàn)。必須最大限度地減少組件和連線，以滿足嚴(yán)格的尺寸和重量限制，并確保大批量生產(chǎn)是實(shí)際可行的。

4.成本：復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)可能很昂貴。最大限度地減少相對(duì)昂貴的組件 (如微控制器、接口控制器、電流隔離器和晶體) 可以顯著降低系統(tǒng)的總體成本。

5.功率：電池監(jiān)視器本身也是電池的負(fù)載。較低的工作電流可提高系統(tǒng)效率，而當(dāng)汽車或設(shè)備關(guān)閉時(shí)，較低的備用電流可防止電池過度放電。

電池監(jiān)視
下面介紹了電池監(jiān)視系統(tǒng)的 4 種架構(gòu)。每種架構(gòu)都設(shè)計(jì)為自主電池監(jiān)視系統(tǒng)，并假定系統(tǒng)由 96 個(gè)電池組成，12 個(gè)電池為一組，分成 8 組 (參見表 1)。每組都有一個(gè)至主 CAN 總線的 CAN 接口，而且與系統(tǒng)其余部分是電流隔離的。

表 1：電池監(jiān)視架構(gòu)比較

并聯(lián)獨(dú)立 CAN 模塊 (圖 1)
每個(gè)由 12 個(gè)電池組成的模塊都含有一個(gè) PC 板，板上有一個(gè) LTC6802、一個(gè)微控制器、一個(gè) CAN 接口和一個(gè)電流隔離變壓器。系統(tǒng)所需的大量電池監(jiān)視數(shù)據(jù)使主 CAN 總線難以應(yīng)付，因此 CAN 模塊必須在 CAN 子網(wǎng)上。CAN 子網(wǎng)由一個(gè)主控制器協(xié)調(diào)，該主控制器也為主 CAN 總線提供網(wǎng)關(guān)。

圖 1：并聯(lián)獨(dú)立 CAN 模塊

具 CAN 網(wǎng)關(guān)的并聯(lián)模塊 (圖 2)
每個(gè)由 12 節(jié)電池組成的模塊都含有一個(gè) PC 板，板上有一個(gè) LTC6802 和一個(gè)數(shù)字隔離器。這些模塊具有至控制器電路板的獨(dú)立接口連接，該控制器電路板上含有一個(gè)微控制器、一個(gè) CAN 接口和一個(gè)電流隔離變壓器。微控制器協(xié)調(diào)這些模塊，并為主 CAN 總線提供網(wǎng)關(guān)。

圖 2：具 CAN 網(wǎng)關(guān)的并聯(lián)模塊的方框圖

具 CAN 網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監(jiān)視模塊 (圖 3)
在這種配置中，由 12 節(jié)電池組成的模塊中沒有監(jiān)視和控制電路。取而代之的是，單個(gè) PC 板含有 8 個(gè) LTC6802 監(jiān)視器 IC，每個(gè)監(jiān)視器 IC 都連接至其電池模塊。LTC6802 器件通過非隔離式 SPI 兼容的串行接口通信。單個(gè)微控制器通過 SPI 兼容的串行接口控制整組電池監(jiān)視器，該微控制器也是至主 CAN 總線的網(wǎng)關(guān)。CAN 收發(fā)器和電流隔離變壓器是該電池監(jiān)視系統(tǒng)的最后兩個(gè)組件。

圖 3：具 CAN 網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監(jiān)視模塊的方框圖

具 CAN 網(wǎng)關(guān)的串聯(lián)模塊 (圖 4)
這種架構(gòu)類似于單個(gè)監(jiān)視模塊，除了每個(gè) LTC6802 都在由 12 個(gè)電池組成的模塊內(nèi)部的 PC 板上。8 個(gè)模塊通過 LTC6802 非隔離式 SPI 兼容串行接口通信，這在電池模塊之間需要連接 3 或 4 條傳導(dǎo)電纜。單個(gè)微控制器通過底端監(jiān)視器 IC 控制整組電池監(jiān)視器，并作為至主 CAN 總線的網(wǎng)關(guān)。CAN 收發(fā)器和電流隔離變壓器仍然是電池監(jiān)視系統(tǒng)的最后兩個(gè)組件。

圖 4：具 CAN 網(wǎng)關(guān)的串聯(lián)模塊的方框圖

電池監(jiān)視架構(gòu)選擇
第一種和第二種架構(gòu)一般而言比較具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)椴⑿薪涌谛枰罅窟B接和外部隔離。為了應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜性的提高，設(shè)計(jì)師采用了獨(dú)立地與每個(gè)監(jiān)視器器件通信的方法。第三種 (具 CAN 網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監(jiān)視模塊) 和第四種 (具 CAN 網(wǎng)關(guān)的串聯(lián)模塊) 架構(gòu)采用了簡化的方法，所受限制最少。

LTC6802 可以滿足所有 4 種配置的需求，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師留出了選擇余地。該器件的兩個(gè)變體也已開發(fā)出來，一個(gè)用于串聯(lián)配置，另一個(gè)用于并聯(lián)配置。LTC6802-1 用于疊置式 SPI 接口配置。多個(gè)器件可以通過一個(gè)接口串聯(lián)連接，該接口無需外部電平移位器或隔離器，就可沿著電池組來回發(fā)送數(shù)據(jù)。LTC6802-2 允許用單個(gè)器件滿足并聯(lián)架構(gòu)的需求。兩種變體有相同的電池監(jiān)視性能規(guī)格和功能。

電動(dòng)汽車和大功率工業(yè)設(shè)備向電池組提出了大量要求。制造商期望用經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的電池系統(tǒng)滿足嚴(yán)格的可靠性要求。最新的電池監(jiān)視 IC 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)師能在無性能折衷的前提下，靈活地選擇最佳電池組架構(gòu)。