凌力爾特工程師電池管理經(jīng)驗之分享
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就混合動力汽車(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(dāng)棘手、難以應(yīng)付?；旌蟿恿ζ嚭碗妱悠嚨碾娮赢a(chǎn)品面臨的挑戰(zhàn)是，彌補(bǔ)要求苛刻的汽車環(huán)境和電池敏感性之間的差距。汽車環(huán)境的苛刻和電池的敏感堪稱地獄中的絕配。
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)。鋰離子電池以滿充電狀態(tài)或滿放電狀態(tài)工作時，容量會降低。考慮到循環(huán)往復(fù)的充電、組與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，電池組要實現(xiàn)15年、5000個充電周期的目標(biāo)，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，同時最大限度地減輕容量的降低。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(zé)任。
電池管理系統(tǒng)的任務(wù)是，仔細(xì)跟蹤和控制每節(jié)電池的充電狀態(tài)1。電池管理系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度至關(guān)重要，因為它決定了每節(jié)電池能多么靠近其可靠充電狀態(tài)范圍的邊緣工作。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(zhǔn)確地測量每節(jié)電池的電壓相當(dāng)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。為了理解這一點，我們想想以下事實：電動汽車/混合動力汽車的電池組通常電壓非常高，由100至200個串聯(lián)連接的電池組成。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)注導(dǎo)致汽車電子產(chǎn)品向集成度更高、組件數(shù)更少的方向發(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，在這類系統(tǒng)中，我們看到，諸如凌力爾特LTC6802這類電池監(jiān)視IC已經(jīng)出現(xiàn)。在新式電池管理系統(tǒng)中，這類高度集成的器件是關(guān)鍵的數(shù)據(jù)采集組件，與之前的分立式解決方案相比，這類器件降低了成本、減少了所需占用的空間和組件數(shù)。電池監(jiān)視器的主要功能是，直接測量串聯(lián)連接電池的電壓，典型情況下每個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)。為了應(yīng)對高壓電池組，這類器件一般設(shè)計為通過菊花鏈?zhǔn)酱薪涌谙嗷ネㄐ拧Ｔ陔姵毓芾硐到y(tǒng)中，有一個組成部分一般不可能成功集成到電池監(jiān)視IC中，那就是嵌入式軟件。充電狀態(tài)算法是受到嚴(yán)密保護(hù)的技術(shù)，是特定于化學(xué)組成、尺寸、外形、工作條件和應(yīng)用的。就新式高壓、大功率電池組而言，現(xiàn)成有售的算法不可能有用，嵌入式軟件使故障機(jī)制影響分析 (FMEA) 變得復(fù)雜了，在使用嵌入式軟件的情況下，系統(tǒng)設(shè)計師無法進(jìn)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，其中電池組管理系統(tǒng)的算法是軟件編碼的，并由開發(fā)商獨家控制。
圖1：由很多節(jié)電池組成的電動汽車/混合動力汽車電池模塊的基本拓?fù)?br />
電池監(jiān)視IC的一個關(guān)鍵考慮因素是，怎樣處理將遇到的汽車噪聲。例如，很多電池監(jiān)視器使用快速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，這似乎是有利的。然而，汽車環(huán)境是有噪聲的，需要進(jìn)行大量的濾波，而且這種濾波決定有效吞吐量，而不是采樣率。由于這個原因，增量累加(DS)ADC比SAR轉(zhuǎn)換器有優(yōu)勢。就給定的10kHz 噪聲抑制量而言，每秒1000次采樣的DS ADC提供的吞吐量與每秒100萬次采樣的SAR ADC提供的吞吐量相同。例如，LTC6802采用一個每秒1000次采樣的DS 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的單極性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10μs時間內(nèi)順序?qū)?0個通道采樣，由于濾波器的響應(yīng)，每8.4 ms超過1 次的掃描也是沒有意義的。
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