HEV和EV中電池管理經(jīng)驗之談

　　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)境又相當棘手、難以應付。混合動力汽車和電動汽車的電子產(chǎn)品面臨的挑戰(zhàn)是，彌補要求苛刻的汽車環(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。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?？紤]到循環(huán)往復的充電、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，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) 的責任。

　　電池管理系統(tǒng)的任務是，仔細跟蹤和控制每節(jié)電池的充電狀態(tài)。電池管理系統(tǒng)的測量準確度至關重要，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。準確地測量每節(jié)電池的電壓相當困難，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注導致汽車電子產(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)。為了應對高壓電池組，這類器件一般設計為通過菊花鏈式串行接口相互通信。在電池管理系統(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)算法是受到嚴密保護的技術(shù)，是特定于化學組成、尺寸、外形、工作條件和應用的。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制影響分析 (FMEA) 變得復雜了，在使用嵌入式軟件的情況下，系統(tǒng)設計師無法進行直接控制。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撲。

　　電池監(jiān)視 IC 的一個關鍵考慮因素是，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)?10 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 10us 時間內(nèi)順序?qū)?10 個通道采樣，由于濾波器的響應，每 8.4 ms 超過 1 次的掃描也是沒有意義的。

圖 2：增量累加轉(zhuǎn)換器和采用 RC 電路的 SAR 轉(zhuǎn)換器的比較增量累加轉(zhuǎn)換器以更好的濾波性能提供同樣的有效吞吐量。

　　在一長串電池監(jiān)視 IC 的情況下，串行接口也是一個重要的考慮因素，凌力爾特提供兩種截然不同的選擇。一種選擇 (也是大多數(shù)電池監(jiān)視 IC 所支持的) 是菊花鏈式接口。采用菊花鏈式接口時，無需光耦合器或隔離器，鏈中每個 IC 就可與相鄰 IC 通信，只留下底部的器件與單個微處理器或控制單元連接。此外，凌力爾特還提供第二種選擇，即采用單獨可尋址的串行接口。采用這種接口，單個微控制器通過隔離與多個并聯(lián)器件通信。這種拓撲提供本身更加可靠的“星形配置”，因為失去與一個器件的通信不會隔斷與其他任何器件的通信。可尋址器件還可用在經(jīng)過修改的菊花鏈式拓撲中，在這種拓撲中，相對昂貴的隔離器已經(jīng)成為過去，取而代之的是不那么昂貴的“晶體管化”SPI 總線配置。結(jié)果是具有極寬兼容范圍的串行接口。

　　經(jīng)過兩年的生產(chǎn)并基于經(jīng)過實踐檢驗的設計，凌力爾特推出了第二代器件。比較第一代和第二代器件，可以對未來高壓電池系統(tǒng)的發(fā)展方向有一些深入的了解。LTC6803 的主要目標之一是，即使在最極端的噪聲情況下，也能確保無差錯通信。 對所有命令和數(shù)據(jù)都進行包誤差檢測，以確保通信完整性。LTC6803 系列繼續(xù)支持菊花鏈式和單獨可尋址串行通信，同時 LTC6803 菊花鏈能承受超過 20V 的 AC 噪聲和 30V 的快速開關尖峰，而不會產(chǎn)生誤差 (圖 3)。

圖 3：第二代菊花鏈可抵抗強噪聲 。

　　LTC6803 有獨立的電源輸入，該輸入可斷接，同時其他連接保持完好無損 (圖 4a)。在這種硬件停機情況下，LTC6803 僅吸取幾 nA 的電流。這對電池組的長期儲存很重要，因為集成的電池管理系統(tǒng)消耗的電流有可能使電池組中的電池容量失衡。LTC6803 還可以用一個獨立的電源工作，從而允許從一個單獨的電源而不是電池組吸取電源電流，如圖 4b 所示。該器件還允許使用簡單的斷電功能。此外，采用單獨的電源時，即使所有電池的電壓都已急劇下降 (在使用超級電容器和燃料電池時可能出現(xiàn))，LTC6803 仍可繼續(xù)監(jiān)視大量電池。圖 4c 說明了擁有獨立電源輸入的優(yōu)點。

　　汽車中的電子產(chǎn)品日益增多，這促使產(chǎn)生了有關汽車電子產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的新標準。因此，出現(xiàn)了諸如 AEC Q100、ISO 26262 等汽車電子產(chǎn)品標準。這些標準轉(zhuǎn)化成了廣泛的限定條件和內(nèi)部功能，以確保滿足系統(tǒng)安全要求。例如，LTC6803 是與 ISO 26262 兼容的系統(tǒng)。ISO 26262 是一個實用的安全標準，定義了汽車系統(tǒng)的安全要求，并對系統(tǒng)級設計問題產(chǎn)生影響，如冗余度、網(wǎng)絡配置、數(shù)據(jù)收集、傳感器，等等。LTC6803 內(nèi)置了導線開路檢測、數(shù)字濾波器檢查、多路復用器解碼器檢查功能以及看門狗定時器和一個備用電壓基準，以實現(xiàn)全面的自測試能力。

圖 5：LTC6803 的內(nèi)部自測試功能。

　　LTC6803 中還包括很多其他改進，以滿足標準汽車設計之外的需求。例如，LTC6803 提供擴展的 -300mV 至 5V 測量范圍，該范圍支持超級電容器和鎳氫金屬電池。LTC6803 完全規(guī)格在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)工作，LTC6803 還設計成能承受高達 75V 的電源電壓，以提供超過 20% 的過壓裕度。

　　汽車環(huán)境對電子產(chǎn)品而言非常嚴酷，然而汽車的日益電氣化也是無可辯駁的事實。電動汽車和混合動力汽車中的鋰離子電池系統(tǒng)不久就將成為主流，而諸如 LTC6803 等尖端測量器件是鋰離子電池系統(tǒng)取得成功所必不可少的。不僅需要這類器件來實現(xiàn)準確測量，而且這些器件必須能在非常艱難的條件下長期可靠工作。今天，凌力爾特的 LTC6802 已經(jīng)通過跑在路上的汽車證明，上述看法是正確的。毫無疑問，在明天的汽車市場上，LTC6803 無疑將繼續(xù) LTC6802 的輝煌。