用于大功率鋰電池組的電池管理設(shè)計

基于鋰的電池化學(xué)材料在大功率工業(yè)和交通運輸系統(tǒng)中正在迅速取代鉛酸和鎳氫金屬(NiMH)材料。不過，鋰化學(xué)材料在能量和功率密度方面的優(yōu)點被電池管理電路更高的復(fù)雜性抵消了。在這些“下一代”電池管理系統(tǒng)(BMS)中，開發(fā)人員需要應(yīng)對非常具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計限制。他們必須在嚴酷的噪聲環(huán)境中，在寬溫度范圍內(nèi)和存在幾百伏共模電壓的情況下，以非常高的精確度測量每節(jié)電池的電壓。

鋰電池組由一組單節(jié)鋰離子電池制成，這些電池的典型電壓/電流值為2.5～3.9V和4～40Ahr。在很多系統(tǒng)中，電池組由36～200節(jié)電池串聯(lián)而成。混合電動汽車中就應(yīng)用了電池組，其必須提供快速可再充電能力，而且消費者也要求電池組壽命至少達10年，并在一次充電后的行駛距離達到100英里，峰值充電電流和放電電流約為200A，最重要的是，其發(fā)生ROE(快速氧化事件，即著火)的可能性必須小于燃油動力汽車。當(dāng)然，必須以對汽車成本影響最小的方式提供所有這些性能?？傊?，采用鋰電池組的電動汽車(EV)的設(shè)計要求在性能、經(jīng)濟性和安全性之間取得平衡。兩個關(guān)鍵要素是電池設(shè)計和電池管理電路。

一個鋰離子電池充電到100%或放電到0%將降低其長期容量。因此，鋰離子電池的工作充電狀態(tài)通常被限制到一個較小的范圍，諸如30%～70%。為了充分利用可用電池容量范圍，電池系統(tǒng)必須非常準確地監(jiān)視每節(jié)電池的電壓(該電壓直接對應(yīng)于充電狀態(tài))。這是因為鋰離子電池具有相對平坦的充電曲線(見圖1)。例如，僅為幾毫伏的電池電壓變化就代表了1%的充電狀態(tài)變化。

圖1 典型的鋰離子電池放電曲線

在一個高壓電池組中，采用多節(jié)鋰離子電池給保持特定充電狀態(tài)范圍這個目標，增加了極大的復(fù)雜性。一個鋰離子電池組不能像單個電源那樣充電和放電。由于制造的差異性，各節(jié)電池的容量略有不同，而且這種容量差異隨著時間的推移會增大，因為較差的電池比其他電池老化快。就容量偏小的電池而言，它們的充電狀態(tài)在多個充電和放電周期之后將逐漸偏離。如果每節(jié)電池的充電狀態(tài)未得到周期性均衡，那么有些電池最終將過度充電或放電，從而損壞，并最終形成電池組故障。

此外，大功率電池應(yīng)用一般必須應(yīng)對電源負輸出、開關(guān)穩(wěn)壓器、繼電器、啟動裝置和其他來源產(chǎn)生的顯著噪聲。圖2為一個包含100節(jié)電池的電池組的輸出，該輸出具有來自10kHz負輸出的尖峰，為電動機供電。在這個例子中，每節(jié)電池都有一個3.7V的平均DC值，而且100V瞬態(tài)電壓均等地分攤到100節(jié)電池上。最上面那節(jié)電池具有370V共模電壓，100V共模開關(guān)瞬態(tài)電壓和1V差分瞬態(tài)電壓。

圖2 高壓電池組開關(guān)噪聲

顯然，電池管理電路面臨著一個非常大的挑戰(zhàn)。這些電路必須能快速和準確地測量每節(jié)電池的電壓。這要求能夠從一個0～1000V的共模電壓中抽取一個小的差分電壓?，F(xiàn)在的電池管理系統(tǒng)(BMS)大部分使用現(xiàn)售組件的組合，這些組件以模塊化方式排列。如圖3所示，一個由36節(jié)電池組成的電池組，以12節(jié)電池為一組分3組來進行監(jiān)控。這樣做能降低每套模擬電路上的共模電壓。由2節(jié)電池組成的模塊為模擬電路提供局部電源和地，該模擬電路采用LTC6802-1電池組監(jiān)視器。

圖3 典型的電池組配置

LTC6802 為大型電池組處理數(shù)據(jù)采集任務(wù)，而且尤其適用于鋰離子電池。其可直接連接到電池串中的每一節(jié)。每節(jié)電池的電壓都以1.5mV的分辨率數(shù)字化成一個12位字。因為使用了一個獨特的電平移位串行接口，多個LTC6802無須光耦合器或隔離器就可以串聯(lián)疊置。在高抗噪串行數(shù)據(jù)沿著電池組被發(fā)送到一個系統(tǒng)控制器時，器件可以從每節(jié)電池處精確地直接測量電壓。此外，當(dāng)多個LTC6802器件串聯(lián)連接時，它們可以同時運行，從而能對電池組中的所有電池進行快速和準確的電壓測量。

圖4 LTC6802方框圖

在整個溫度和電壓范圍內(nèi)，電壓測量準確度高于99.75%，而且電池組中所有電池的電壓都可以在13ms內(nèi)測量。每節(jié)電池的欠壓和過壓情況都得到監(jiān)視，而且每節(jié)電池的輸入都有一個MOSFET開關(guān)，該開關(guān)可用來對任何過度充電的電池放電。這些開關(guān)用于所謂的無源充電均衡，以應(yīng)對上述的電池均衡挑戰(zhàn)。每個LTC6802都可通過一個1MHz的串行接口通信，該接口支持廣播和尋址指令。該器件還包括兩個熱敏電阻輸入以測量環(huán)境或電池組溫度、兩條GPIO線和一個5V穩(wěn)壓器。凌力爾特公司為具有挑戰(zhàn)性的汽車環(huán)境做出了特殊考慮；LTC6802設(shè)計在工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作，具有高的抗ESD、抗EMI和抗噪聲性能，并具有內(nèi)置的診斷和自測試功能。

經(jīng)過多年的努力與不斷進步，高能量電池系統(tǒng)的日常使用不久就將切實可行，尤其是作為電動和混合電動汽車的組成部分。在這種情況出現(xiàn)之前，必須為實用、經(jīng)濟和可靠的電池系統(tǒng)解決各個層次的技術(shù)問題。而LTC6802提供了一個很好的解決方案，這個IC將數(shù)據(jù)采集功能集成到單個器件中，能夠支持由很多電池組成的長電池串。像這樣的進步將確保電動和混合電動汽車的商業(yè)成功，并為很多其他應(yīng)用創(chuàng)造機會。