混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的電池管理架構(gòu)分析

凌力爾特公司(Linear)已經(jīng)推出一款使電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠滿足這些苛刻要求的器件。LTC6802是一個(gè)電池組監(jiān)視器IC，能測(cè)量多達(dá)12個(gè)疊置電池的電壓。LTC6802還有內(nèi)部開關(guān)，使電池可以單獨(dú)放電，以便它們能與電池組中的其它電池進(jìn)入平衡狀態(tài)。

為說明電池組架構(gòu)，考慮一個(gè)具有96個(gè)鋰離子電池的系統(tǒng)。這將需要8個(gè)LTC6802來監(jiān)視整個(gè)電池組，其中每個(gè)器件工作在不同的電壓。當(dāng)采用4.2V鋰離子電池時(shí)，底端監(jiān)視器件將跨接在12個(gè)電池上,電位調(diào)節(jié)范圍為0~50.4V，下一組電池的電壓范圍為50.4V到100.8V，順著電池組依此類推。這些器件之間在不同的電壓上進(jìn)行通信帶來了難以克服的挑戰(zhàn)。人們已經(jīng)考慮過多種方法，但由于汽車制造商優(yōu)先考慮的重點(diǎn)不同，每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

表：電池監(jiān)視架構(gòu)比較。

電池監(jiān)視要求

在電池監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)之間作抉擇時(shí)，至少有5個(gè)需要平衡的主要要求。它們的相對(duì)重要性取決于最終客戶的需求和期望。
1. 準(zhǔn)確性。為了利用可能的最大電池容量，電池監(jiān)視器需要準(zhǔn)確。不過，汽車是一種噪聲系統(tǒng)，在很大的頻率范圍內(nèi)存在電磁干擾。任何的準(zhǔn)確性降低都會(huì)對(duì)電池組壽命和性能造成有害影響。
2. 可靠性。不管采用何種電源，汽車制造商必須滿足極高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。此外，高能量容量以及有些電池技術(shù)潛在的不穩(wěn)定本性是人們擔(dān)心的主要安全問題。相對(duì)于嚴(yán)重的電池故障，在保守性條件下執(zhí)行關(guān)斷操作的故障安全系統(tǒng)更加可取，盡管它有可能使乘客不幸滯留。因此，必須仔細(xì)監(jiān)視和控制電池系統(tǒng)，以在系統(tǒng)中確保對(duì)整個(gè)電池壽命期的全面控制。為最大限度減少假的和真的故障，一個(gè)良好設(shè)計(jì)的電池組系統(tǒng)必須有魯棒的通信，最大限度減少故障模式以及故障檢測(cè)。
3. 可制造性?，F(xiàn)代的汽車已包含大量采用復(fù)雜布線線束的電子產(chǎn)品。就汽車制造而言，增加復(fù)雜的電子電路和配線以支持電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)會(huì)使復(fù)雜性更高?？偟慕M件和連接數(shù)量必須盡量地少以滿足嚴(yán)格的尺寸和重量限制，并確保大批量生產(chǎn)是切實(shí)可行的。
4. 成本。復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)可能很昂貴，最大限度減少如微控制器、接口控制器、電流隔離器和晶振等成本相對(duì)高昂的元件數(shù)量可大大降低系統(tǒng)的總成本。
5. 功率。電池監(jiān)視器本身也是電池的負(fù)載，其較低的工作電流可提高系統(tǒng)效率，較低的備用電流可在汽車熄火后防止電池過度放電。

電池監(jiān)視架構(gòu)

圖1至圖4給出了4種電池監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)。假設(shè)一個(gè)由96個(gè)電池組成的系統(tǒng)以12個(gè)電池為一組分成8組，表中對(duì)這種情況下的每種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。在每種情況下，一個(gè)LTC6802監(jiān)視一個(gè)由12個(gè)電池組成的電池組。每種架構(gòu)都設(shè)計(jì)為一個(gè)自主的電池監(jiān)視系統(tǒng)，都提供到汽車主CAN總線的CAN總線接口，且與汽車的其余部分是電流隔離的。

1．并行獨(dú)立CAN模塊(如圖1)

每個(gè)由12個(gè)電池組成的模塊都含有一個(gè)電路板，板上有LTC6802、微控制器、CAN接口和電流隔離變壓器。系統(tǒng)所需的大量電池監(jiān)視數(shù)據(jù)會(huì)使汽車的主CAN總線崩潰，因此這些CAN模塊需要在局域CAN子網(wǎng)上。CAN子網(wǎng)由主控制器協(xié)調(diào)，該控制器還提供至汽車主CAN總線的網(wǎng)關(guān)。

2．具CAN網(wǎng)關(guān)的并行模塊(如圖2)

每個(gè)由12個(gè)電池組成的模塊都含有一個(gè)電路板，板上有LTC6802和數(shù)字隔離器。這些模塊與控制器電路板有獨(dú)立的接口連接，控制器電路板上含有微控制器、CAN接口和電流隔離變壓器。微控制器協(xié)調(diào)這些模塊并提供到汽車主CAN總線的網(wǎng)關(guān)。

3．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個(gè)電池組成的模塊內(nèi)部沒有監(jiān)視和控制電路，而是在單個(gè)電路板上有8個(gè)LTC6802監(jiān)視器IC，每個(gè)IC都連接到其電池模塊。LTC6802器件通過非隔離SPI兼容串行接口通信。單個(gè)微控制器通過SPI兼容串行接口控制全部電池組監(jiān)視器，并充當(dāng)?shù)狡囍鰿AN總線的網(wǎng)關(guān)。這些再加上CAN收發(fā)器和電流隔離變壓器就形成了完整的電池監(jiān)視系統(tǒng)。