引言
就混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV) 和電動(dòng)汽車(chē) (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(shí)，鋰離子電池也是易損壞和危險的，而汽車(chē)環(huán)境又相當棘手、難以應付�；旌蟿�(dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的電子產(chǎn)品面臨的挑戰是，彌補要求苛刻的汽車(chē)環(huán)境和電池敏感性之間的差距。汽車(chē)環(huán)境的苛刻和電池的敏感堪稱(chēng)地獄中的絕配。
考慮到汽車(chē)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(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。鋰離子電池以滿(mǎn)充電狀態(tài)或滿(mǎn)放電狀態(tài)工作時(shí)，容量會(huì )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，每節電池的容量都會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移而降低并產(chǎn)生偏離。因此，電池組要實(shí)現 15 年、5000 個(gè)充電周期的目標，每節電池都必須保持在有限的工作范圍內工作。通過(guò)控制每節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(shí)最大限度地減輕容量的降低。確保高效率、安全地使用汽車(chē)電池組，是電池管理系統 (BMS) 的責任。
電池管理系統的任務(wù)是，仔細跟蹤和控制每節電池的充電狀態(tài)1。電池管理系統的測量準確度至關(guān)重要，因為它決定了每節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量，而電池數量對成本和重量有很大的影響。準確地測量每節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(diǎn)，我們想想以下事實(shí)：電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)的電池組通常電壓非常高，由 100 至 200 個(gè)串聯(lián)連接的電池組成。這類(lèi)電池組必須提供可能超過(guò) 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(guò) 100V。
對成本和可靠性的關(guān)注導致汽車(chē)電子產(chǎn)品向集成度更高、組件數更少的方向發(fā)展。在高度復雜的電池管理系統中，這種趨勢尤其明顯，在這類(lèi)系統中，我們看到，諸如凌力爾特 LTC6802 這類(lèi)電池監視 IC 已經(jīng)出現。在新式電池管理系統中，這類(lèi)高度集成的器件是關(guān)鍵的數據采集組件，與之前的分立式解決方案相比，這類(lèi)器件降低了成本、減少了所需占用的空間和組件數。電池監視器的主要功能是，直接測量串聯(lián)連接電池的電壓，典型情況下每個(gè) IC 監視 12 個(gè)通道。這類(lèi) 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(lèi)器件一般設計為通過(guò)菊花鏈式串行接口相互通信。在電池管理系統中，有一個(gè)組成部分一般不可能成功集成到電池監視 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(xué)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，系統設計師無(wú)法進(jìn)行直接控制。圖 1 說(shuō)明了由任意節電池組成的電池模塊的基本配置，其中電池組管理系統的算法是軟件編碼的，并由開(kāi)發(fā)商獨家控制。
1 充電狀態(tài)控制要求電池容量平衡。通過(guò)有選擇地給一些電池放電或移走電荷，可以實(shí)現電池容量平衡，從而使電池電壓保持匹配，并處于特定范圍之內。
圖 1：由很多節電池組成的電動(dòng)汽車(chē) / 混合動(dòng)力汽車(chē)電池模塊的基本拓撲
12-Cell Battery Modules：由 12 節電池組成的電池模塊
Current Sensor：電流傳感器
Host Controller：主控制器
Contactor：開(kāi)關(guān)
Service Switch：檢修開(kāi)關(guān)
Battery Monitoring & Balancing：電池監視和容量平衡
電池監視 IC 的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是，怎樣處理將遇到的汽車(chē)噪聲。例如，很多電池監視器使用快速 SAR 轉換器實(shí)現電池的數字化，在超過(guò) 100 個(gè)通道的數據采集系統中，這似乎是有利的。然而，汽車(chē)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(gè)原因，增量累加 (??) ADC 比 SAR 轉換器有優(yōu)勢。就給定的 10kHz 噪聲抑制量而言，每秒 1000 次采樣的 ?? ADC 提供的吞吐量與每秒 100 萬(wàn)次采樣的 SAR ADC 提供的吞吐量相同。例如，LTC6802 采用一個(gè)每秒 1000 次采樣的 ???ADC，該 ADC 在 10ms 時(shí)間內可順序對 10 個(gè)輸入通道采樣。內置的線(xiàn)性相位數字濾波器對 10kHz 開(kāi)關(guān)噪聲提供 36dB 的抑制。要在 10kHz 時(shí)獲得相同的噪聲抑制，每秒 100 萬(wàn)次采樣的 SAR 轉換器在每節電池上都需要一個(gè)轉角頻率為 160Hz 的單極性 RC 濾波器 (參見(jiàn)圖 2)。RC 濾波器的 12 位穩定時(shí)間為 8.4ms，即使 SAR ADC 能在 10us 時(shí)間內順序對 10 個(gè)通道采樣，由于濾波器的響應，每 8.4 ms 超過(guò) 1 次的掃描也是沒(méi)有意義的。
圖 2：增量累加轉換器和采用 RC 電路的 SAR 轉換器的比較
增量累加轉換器以更好的濾波性能提供同樣的有效吞吐量
FILTER GAIN：濾波器增益
FIR FILTER：FIR濾波器
160-Hz RC FILTER：160Hz RC 濾波器
FREQUENCY：頻率
在一長(cháng)串電池監視 IC 的情況下，串行接口也是一個(gè)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 (也是大多數電池監視 IC 所支持的) 是菊花鏈式接口。采用菊花鏈式接口時(shí)，無(wú)需光耦合器或隔離器，鏈中每個(gè) IC 就可與相鄰 IC 通信，只留下底部的器件與單個(gè)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(gè)微控制器通過(guò)隔離與多個(gè)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(gè)器件的通信不會(huì )隔斷與其他任何器件的通信�？蓪ぶ菲骷�可用在經(jīng)過(guò)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(guò)去，取而代之的是不那么昂貴的“晶體管化”SPI 總線(xiàn)配置。結果是具有極寬兼容范圍的串行接口。
經(jīng)過(guò)兩年的生產(chǎn)并基于經(jīng)過(guò)實(shí)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(lái)高壓電池系統的發(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(wú)差錯通信。 對所有命令和數據都進(jìn)行包誤差檢測，以確保通信完整性。LTC6803 系列繼續支持菊花鏈式和單獨可尋址串行通信，同時(shí) LTC6803 菊花鏈能承受超過(guò) 20V 的 AC 噪聲和 30V 的快速開(kāi)關(guān)尖峰，而不會(huì )產(chǎn)生誤差 (圖 3)。
Noise Factor Max Voltage with No Errors
Noise Voltage Between ICs > 20V (10kHz)
Noise Edge Rate > 30 V/us
圖 3：第二代菊花鏈可抵抗強噪聲
Systems Noise Injected Onto Communication Lines：注入到通信線(xiàn)路上的系統噪聲
10V Peak-to-Peak：10V 尖峰至尖峰
Noise Factor：噪聲因數
Max Voltage with No Errors：最大無(wú)誤差電壓
Noise Voltage Between ICs：IC 之間的噪聲電壓
Noise Edge Rate：噪聲邊沿變化率
LTC6803 有獨立的電源輸入，該輸入可斷接，同時(shí)其他連接保持完好無(wú)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(cháng)期儲存很重要，因為集成的電池管理系統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(gè)獨立的電源工作，從而允許從一個(gè)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(jiǎn)單的斷電功能。此外，采用單獨的電源時(shí)，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(shí)可能出現)，LTC6803 仍可繼續監視大量電池。圖 4c 說(shuō)明了擁有獨立電源輸入的優(yōu)點(diǎn)。
圖 4a：硬件停機
圖 4b：獨立電源供電
圖 4c：電源電流隨工作模式的變化
Supply Current：電源電流
HW Shutdown：硬件停機
Standby：備用
Measure：測量
汽車(chē)中的電子產(chǎn)品日益增多，這促使產(chǎn)生了有關(guān)汽車(chē)電子產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的新標準。因此，出現了諸如 AEC Q100、ISO 26262 等汽車(chē)電子產(chǎn)品標準。這些標準轉化成了廣泛的限定條件和內部功能，以確保滿(mǎn)足系統安全要求。例如，LTC6803 是與 ISO 26262 兼容的系統。ISO 26262 是一個(gè)實(shí)用的安全標準，定義了汽車(chē)系統的安全要求，并對系統級設計問(wèn)題產(chǎn)生影響，如冗余度、網(wǎng)絡(luò )配置、數據收集、傳感器，等等。LTC6803 內置了導線(xiàn)開(kāi)路檢測、數字濾波器檢查、多路復用器解碼器檢查功能以及看門(mén)狗定時(shí)器和一個(gè)備用電壓基準，以實(shí)現全面的自測試能力。
圖 5：LTC6803 的內部自測試功能
2nd Reference：第二個(gè)基準
MUX：多路復用器
Die Temp：芯片溫度
External Temp：外部溫度
Decoder Check：解碼器校驗
Open Wire Check：導線(xiàn)連接開(kāi)路校驗
Digital Filter Check：數字濾波器校驗
ΔΣ A/D Converter：ΔΣ ADC
Reference：基準
Regulator：穩壓器
Watchdog Timer：看門(mén)狗定時(shí)器
Results Register and Communications：結果寄存器和通信
Control：控制
LTC6803 中還包括很多其他改進(jìn)，以滿(mǎn)足標準汽車(chē)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 完全規格在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內工作，LTC6803 還設計成能承受高達 75V 的電源電壓，以提供超過(guò) 20% 的過(guò)壓裕度。
汽車(chē)環(huán)境對電子產(chǎn)品而言非常嚴酷，然而汽車(chē)的日益電氣化也是無(wú)可辯駁的事實(shí)。電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)中的鋰離子電池系統不久就將成為主流，而諸如 LTC6803 等尖端測量器件是鋰離子電池系統取得成功所必不可少的。不僅需要這類(lèi)器件來(lái)實(shí)現準確測量，而且這些器件必須能在非常艱難的條件下長(cháng)期可靠工作。今天，凌力爾特的 LTC6802 已經(jīng)通過(guò)跑在路上的汽車(chē)證明，上述看法是正確的。毫無(wú)疑問(wèn)，在明天的汽車(chē)市場(chǎng)上，LTC6803 無(wú)疑將繼續 LTC6802 的輝煌。 |
