用電子器件提高電動汽車的電池性能

混合動力電動型汽車電池中的電子器件是提高性能和安全性的關(guān)鍵。在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新技術(shù)使電池組設(shè)計(jì)師能進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能。更高的測量準(zhǔn)確度、更堅(jiān)固的數(shù)據(jù)鏈路和電池容量的主動電荷平衡都幫助實(shí)現(xiàn)了更低的成本、更長的行駛周期和更快的充電。

典型的電池組方框圖(圖1)由幾組串聯(lián)連接的鋰離子電池組成，它們的測量和平衡由高壓模擬集成電路完成。這些模擬前端(AFE) IC執(zhí)行艱難的測量每節(jié)電池電壓、電流和溫度的任務(wù)，并向控制電路傳遞數(shù)據(jù)。控制器運(yùn)用電池?cái)?shù)據(jù)計(jì)算電池組的電荷狀態(tài)和健康狀態(tài)?？刂破骺赡苊钋岸薎C給某些電池充電或放電，以在電池組內(nèi)保持平衡的電荷狀態(tài)。

BATTERY PACK：電池組
DATA PORT：數(shù)據(jù)端口
CONTROLLER：控制器
State of Charge：電荷狀態(tài)
State of Health：健康狀態(tài)
System Safety：系統(tǒng)安全
DATA BUS：數(shù)據(jù)總線
ISOLATION BARRIER：隔離勢壘
MEASURE BALANCE：測量與平衡
12 SERIES LI-ION CELLS：12節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池
圖1：電池組方框圖

更高的準(zhǔn)確度意味著更低的成本

模擬前端IC的測量準(zhǔn)確度對系統(tǒng)成本有直接影響。需要準(zhǔn)確的測量以實(shí)現(xiàn)有用的電荷狀態(tài)(SOC)計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)長壽命，電池組一般在20%至80%的SOC之間工作。如果在SOC計(jì)算中有5%的不確定性，那么電池組的尺寸就必須增大5%，這導(dǎo)致電池的成本顯著增大。給一個(gè)16kW-hr電池組增加5%的容量，需要約360歐元(460美元)。改進(jìn)SOC計(jì)算以實(shí)現(xiàn)1%的誤差意味著，每個(gè)電池組能節(jié)省約300歐元(385美元)。

電池電壓測量是SOC算法的關(guān)鍵要素。當(dāng)測量3.3V LiFePO4(磷酸鐵鋰)電池時(shí)，IC電源和電池組開發(fā)人員都集中采用總測量誤差1mV的規(guī)格。

對于諸如售價(jià)480歐元(615美元)的Fluke-289手持式萬用表等實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，測量3.3V至1mV以內(nèi)的電壓是司空見慣的。AFE IC必須以1/100的成本提供相同的性能，并在汽車環(huán)境中連續(xù)工作15個(gè)年。只有為數(shù)不多的IC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

真實(shí)世界中的準(zhǔn)確度

什么樣的IC技術(shù)最適合電池測量呢？答案可從圖2(典型AFE IC的方框圖)的誤差分析獲得。12個(gè)串接電池之一由多路復(fù)用器(MUX)模塊來選擇。通過閉合“S”開關(guān)把電池電壓存儲在一個(gè)電容器上。斷開“S”開關(guān)，然后閉合“T”開關(guān)。電池兩端的電壓將轉(zhuǎn)移至ADC。這種“飛跨電容器”方案消除了頂端電池33V的大共模電壓，并保持了3.3V的差分電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電池電壓與其電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，并產(chǎn)生一個(gè)與VCELL和VREF之比成比例的數(shù)字結(jié)果。

DATA I/O：數(shù)據(jù)I/O
VOLTAGE REFERENCE：電壓基準(zhǔn)
圖2：典型模擬前端IC

如果開關(guān)的阻抗太大，無法在很短的采樣時(shí)間內(nèi)給電容器充電，那么MUX和飛跨電容器就可能引入測量誤差。細(xì)致的開關(guān)電容器設(shè)計(jì)可消除這個(gè)誤差項(xiàng)。

由ADC進(jìn)行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換還可能由于器件失配而引入誤差。其次，細(xì)致的設(shè)計(jì)與器件微調(diào)相結(jié)合，可降低ADC引起的誤差。

AFE IC的基本限制來自電壓基準(zhǔn)

假如電壓基準(zhǔn)下降了1%，則所有的讀數(shù)都將增加1%。電壓基準(zhǔn)是由某種物理量產(chǎn)生的，可以是反向偏置PN結(jié)的雪崩擊穿(一個(gè)齊納基準(zhǔn))、兩個(gè)基極-發(fā)射極電壓之差(一個(gè)帶隙基準(zhǔn))、或一個(gè)電容器上存儲的電荷(一個(gè)EPROM基準(zhǔn))。每個(gè)AFE IC在生產(chǎn)中都進(jìn)行了微調(diào)，以使電壓基準(zhǔn)的初始值非常準(zhǔn)確。不幸的是，視IC技術(shù)的不同而不同，電壓基準(zhǔn)可能隨著時(shí)間、溫度、濕度和印刷電路板(PCB)組裝應(yīng)力的不同而產(chǎn)生極大的變化。這導(dǎo)致一些IC廠商只提出“典型”準(zhǔn)確度，而關(guān)于AFE IC在真實(shí)世界中會怎樣表現(xiàn)則未提供指導(dǎo)。

要在嚴(yán)酷的汽車環(huán)境中運(yùn)行，最佳技術(shù)是齊納基準(zhǔn)。數(shù)年來，凌力爾特新的LTC6804 AFE電池組監(jiān)視器IC運(yùn)用齊納電壓基準(zhǔn)技術(shù)，以保持優(yōu)于所需的準(zhǔn)確度。LTC6804比前一代產(chǎn)品有了顯著改進(jìn)，前一代產(chǎn)品依靠帶隙電壓基準(zhǔn)。例如，考慮PCB組裝所產(chǎn)生的應(yīng)力。AFE IC在焊接過程中會遭受幾種熱沖擊。在塑料封裝和銅引線框架的膨脹和收縮過程中，芯片會經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力。帶隙基準(zhǔn)的表現(xiàn)就像一個(gè)應(yīng)變計(jì)，將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)電壓的變化。電壓基準(zhǔn)的任何變化都會直接降低電池測量的準(zhǔn)確度。PCB器件應(yīng)力的影響示于圖3，在熱沖擊之前和之后對10個(gè)AFE IC(3種類型)進(jìn)行了測量?；鶞?zhǔn)漂移以電池測量誤差(單位是mV)來表示(假設(shè)采用的是一個(gè)3.3V電池)。