Cosimo Carriero
ADI公司現場(chǎng)應用工程師
摘要
鋰離子(Li-Ion)電池是電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的常用儲能方法。這些電池可提供的能量密度在所有現有電池技術(shù)中是非常高的，但是如果要最大限度地提升性能，必須使用電池監控系統(BMS)。先進(jìn)的BMS不僅使您能夠從電池組中提取大量的電荷，而且還可以以更安全的方式管理充電和放電循環(huán)，從而延長(cháng)使用壽命。ADI公司提供種類(lèi)齊全的BMS器件組合，專(zhuān)注于精度和穩健的運行。
精確測量電池的充電狀態(tài)(SOC)可以延長(cháng)電池運行時(shí)間或減輕重量。精密穩定的器件在PCB裝配后無(wú)需工廠(chǎng)校準。長(cháng)期穩定性提高了安全性并可避免保修問(wèn)題。自我診斷功能有助于達到合適的汽車(chē)安全完整性等級(ASIL)。電池組是充滿(mǎn)電磁干擾(EMI)挑戰的環(huán)境，因此在設計數據通信鏈路時(shí)要進(jìn)行特別處理，以確保測量芯片與系統控制器之間穩健可靠的通信。電纜和連接器是造成電池系統故障的主要原因，因此本文介紹了無(wú)線(xiàn)解決方案。無(wú)線(xiàn)通信設計提高了可靠性并減輕了系統總重量，進(jìn)而增加了每次充電的行駛里程。
簡(jiǎn)介
儲能單元必須能夠提供大容量，并且能以可控方式釋放能量。如果不能進(jìn)行適當的控制，能量的存儲和釋放會(huì )導致電池災難性故障，并最終引起火災。電池可能會(huì )由于多種原因而發(fā)生故障，其中大多數與不當使用有關(guān)。故障可能來(lái)自機械應力或損壞，以及以深度放電、過(guò)度充電、過(guò)電流和熱過(guò)應力等形式表現出的電氣過(guò)載。為了盡可能提高效率和安全性，電池監控系統必不可少。
BMS的主要功能是通過(guò)監控以下物理量使電池組中所有單節電池保持在其安全工作區域(SOA)中：電池組充電和放電電流、單節電池電壓以及電池組溫度�；谶@些數值，不僅可以使電池安全運行，而且可以進(jìn)行SOC和健康狀態(tài)(SOH)計算。
BMS提供的另一個(gè)重要功能是電池平衡。在電池組中，可以將單節電池并聯(lián)或串聯(lián)放置，以達到所需的容量和工作電壓（高達1 kV或更高）。電池制造商試圖為電池組提供相同的電池，但這在物理上并不現實(shí)。即使很小的差異也會(huì )導致不同的充電或放電電平，而電池組中最弱的電池會(huì )嚴重影響電池組的整體性能。精確的電池平衡是BMS的一項重要功能，它可確保電池系統以其最大容量安全運行。
BMS架構
電動(dòng)汽車(chē)電池由幾節電池串聯(lián)組成。一個(gè)典型的電池組（具有96節串聯(lián)電池）以4.2 V充電時(shí)會(huì )產(chǎn)生超過(guò)400 V的總電壓。電池組中的電池節數越多，所達到的電壓就越高。所有電池的充電和放電電流都相同，但是必須對每節電池上的電壓進(jìn)行監控。為了容納高功率汽車(chē)系統所需的大量電池，通常將多節電池分成幾個(gè)模塊，并分置于車(chē)輛的整個(gè)可用空間內。典型模塊擁有10到24節電池，可以采用不同配置進(jìn)行裝配以適合多個(gè)車(chē)輛平臺。模塊化設計可作為大型電池組的基礎。它允許將電池組分置于更大的區域，從而更有效地利用空間。
ADI公司開(kāi)發(fā)了一系列電池監控器，能夠測量多達18節串聯(lián)連接的電池。AD7284可以測量8節電池，LTC6811可以測量12節電池，LTC6813則可以測量18節電池。圖1顯示了一個(gè)典型的具有96節電池的電池組，分為8個(gè)模塊，每個(gè)模塊12個(gè)電池單元。在本示例中，電池監控器IC為可測量12節電池的LTC6811。該IC具有0 V至5 V的電池測量范圍，適合大多數電池化學(xué)應用�？蓪⒍鄠�(gè)器件串聯(lián)，以便同時(shí)監測很長(cháng)的高壓電池組。該器件包括每節電池的被動(dòng)平衡。數據在隔離柵兩邊進(jìn)行交換并由系統控制器編譯，該控制器負責計算SOC、控制電池平衡、檢查SOH，并使整個(gè)系統保持在安全限制內。
圖1.采用LTC6811 12通道測量IC、具有96節電池的電池組架構。
為了在電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)的高EMI環(huán)境中支持分布式模塊化拓撲，穩鍵的通信系統必不可少。隔離CAN總線(xiàn)和ADI的isoSPI™都提供了經(jīng)過(guò)驗證的解決方案，適合在這種環(huán)境中進(jìn)行模塊互聯(lián)。1盡管CAN總線(xiàn)為在汽車(chē)應用中互聯(lián)電池模塊提供了完善的網(wǎng)絡(luò )，但它需要許多附加元件。例如，通過(guò)LTC6811的isoSPI接口實(shí)現隔離CAN總線(xiàn)需要增加一個(gè)CAN收發(fā)器、一個(gè)微處理器和一個(gè)隔離器。CAN總線(xiàn)的主要缺點(diǎn)是這些額外元件會(huì )增加成本和電路板空間。圖2顯示了基于CAN的一種可行架構。在這個(gè)示例中，所有模塊都并聯(lián)連接。
ADI創(chuàng )新的雙線(xiàn)式isoSPI接口是CAN總線(xiàn)接口的替代方法。1isoSPI接口集成在每個(gè)LTC6811中，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的變壓器和一根簡(jiǎn)單的雙絞線(xiàn)，而非CAN總線(xiàn)所需的四線(xiàn)。isoSPI接口提供了一個(gè)抗噪接口（用于高電平RF信號），利用該接口可以將模塊通過(guò)長(cháng)電纜以菊花鏈形式連接，并以高達1 Mbps的數據速率運行。圖3顯示了基于isoSPI并使用CAN模塊作為網(wǎng)關(guān)的架構。
圖2和圖3所示的兩種架構各有利弊。CAN模塊是標準化模塊，可以與其他CAN子系統共享同一總線(xiàn)運行；isoSPI接口是專(zhuān)有接口，只能與相同類(lèi)型的器件進(jìn)行通信。另一方面，isoSPI模塊不需要額外的收發(fā)器和MCU來(lái)處理軟件堆棧，從而使解決方案更緊湊、更易于使用。兩種架構都需要有線(xiàn)連接，這在現代BMS中具有明顯的缺點(diǎn)，因為在布線(xiàn)中，導線(xiàn)走線(xiàn)至不同的模塊會(huì )成為一個(gè)棘手的問(wèn)題，同時(shí)又增加了重量和復雜性。導線(xiàn)也很容易吸收噪聲，從而需要進(jìn)行額外的濾波。
無(wú)線(xiàn)BMS
無(wú)線(xiàn)BMS是一種新穎的架構，它消除了通信布線(xiàn)。1在無(wú)線(xiàn)BMS中，每個(gè)模塊的互聯(lián)都通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接方式實(shí)現。大型多節電池的電池組無(wú)線(xiàn)連接的優(yōu)勢是：
- 連線(xiàn)復雜度更低
- 重量更輕
- Lower cost
- 成本更低
- 安全性和可靠性更高
由于惡劣的EMI環(huán)境以及RF屏蔽金屬構成的信號傳播障礙，無(wú)線(xiàn)通信成為一個(gè)難題。
ADI的SmartMesh®嵌入式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用中經(jīng)過(guò)了現場(chǎng)驗證，可通過(guò)運用路徑和頻率分集來(lái)實(shí)現冗余，從而在工業(yè)、汽車(chē)和其他惡劣環(huán)境中提供可靠性超過(guò)99.999%的連接。
除了通過(guò)創(chuàng )建多個(gè)冗余連接點(diǎn)來(lái)改善可靠性之外，無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )還擴展了BMS的功能。SmartMesh無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現電池模塊的靈活放置，并改善了電池SOC和SOH的計算。這是因為可以從安裝在以前不適合布線(xiàn)之處的傳感器收集更多的數據。SmartMesh還提供了來(lái)自每個(gè)節點(diǎn)的時(shí)間相關(guān)測量結果，從而可以實(shí)現更加精確的數據收集。圖4顯示了有線(xiàn)互聯(lián)和無(wú)線(xiàn)互聯(lián)電池模塊的比較。
ADI演示了業(yè)界首款無(wú)線(xiàn)汽車(chē)BMS概念車(chē)，在BMW i3.2車(chē)型中整合了LTC6811電池組監控器和ADI SmartMesh網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。這是一項重大突破，有望提高電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)大型多節電池組的可靠性，并降低成本、重量和布線(xiàn)復雜性。
圖2.獨立的CAN模塊并聯(lián)。
圖3.采用CAN網(wǎng)關(guān)的模塊串聯(lián)。
精確測量的重要性
精度是BMS的一個(gè)重要特性，對于LiFePO4電池至關(guān)重要。3,4為了了解該特性的重要性，我們考慮圖5中的示例。為了防止過(guò)度充電和放電，電池單元應保持在滿(mǎn)容量的10%到90%之間。在85 kWh的電池中，可用于正常行駛的容量?jì)H為67.4 kWh。如果測量誤差為5%，為了繼續安全地進(jìn)行電池運行，必須將電池容量保持在15%至85%之間�？偪捎萌萘恳褟�80%減少到了70%。如果將精度提高到1%（對于LiFePO4電池，1 mV的測量誤差相當于1%的SOC誤差），那么電池現在可以在滿(mǎn)容量的11%到89%之間運行，增加了8%。使用相同的電池和精度更高的BMS，可以增加每次充電的汽車(chē)行駛里程。
電路設計人員根據數據手冊中的規格來(lái)估算電池測量電路的精度。其他現實(shí)世界的效應通常會(huì )在測量誤差中占主導地位。影響測量精度的因素包括：
- 初始容差
- 溫度漂移
- 長(cháng)期漂移
- 濕度
- PCB裝配應力
- 噪音抑制
圖4.電池監控互聯(lián)方式比較。
圖5.電池充電限制。
完善的技術(shù)必須考慮所有這些因素，才能提供非常出色的性能。IC的測量精度主要受基準電壓的限制�；鶞孰妷簩C械應力很敏感。PCB焊接期間的熱循環(huán)會(huì )產(chǎn)生硅應力。濕度是產(chǎn)生硅應力的另一個(gè)原因，因為封裝會(huì )吸收水分。硅應力會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而松弛，從而導致基準電壓的長(cháng)期漂移。
電池測量IC使用帶隙基準電壓或齊納基準電壓。IC設計人員使用反向擊穿時(shí)的NPN發(fā)射極-基極結作為齊納二極管基準電壓源。擊穿發(fā)生在芯片表面，因為污染物和氧化層電荷在此處效應最為明顯。這些結噪聲高，存在不可預測的短期和長(cháng)期漂移。埋入式齊納二極管將結放置在硅表面下方，遠離污染物和氧化層的影響。其結果是齊納二極管具有出色的長(cháng)期穩定性、低噪聲和相對精確的初始容差。因此，齊納二極管基準電壓源在減輕隨時(shí)間變化的現實(shí)世界的效應方面表現出眾。
LTC68xx系列使用了實(shí)驗室級的齊納二極管基準電壓源，這是ADI經(jīng)過(guò)30多年不斷完善的技術(shù)。圖6顯示了五個(gè)典型單元的電池測量IC誤差隨溫度的漂移。在整個(gè)汽車(chē)級溫度范圍-40°C至+125°C內，漂移都小于1 mV。
圖7對比了帶隙基準電壓源IC和埋入式齊納二極管基準電壓源IC的長(cháng)期漂移。初始測量值的誤差校準為0 mV。通過(guò)在30°C下3000小時(shí)之后的漂移來(lái)預測十年的測量漂移。該圖片清楚地顯示了隨著(zhù)時(shí)間的推移，齊納二極管基準電壓源具有更出色的穩定性，至少比帶隙基準電壓源提高5倍。類(lèi)似的濕度和PCB裝配應力測試表明，埋入式齊納二極管的性能比帶隙基準電壓源更勝一籌。
圖6.LTC6811測量誤差與溫度的關(guān)系。
圖7.埋入式齊納二極管和帶隙基準電壓源之間的長(cháng)期漂移比較。
圖8.ADC濾波器的可編程范圍和頻率響應。
精度的另一個(gè)限制因素是噪聲。由于電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)中的電機、功率逆變器、DC-DC轉換器和其他大電流開(kāi)關(guān)系統會(huì )產(chǎn)生電磁干擾，因此汽車(chē)電池是面向電子器件非常惡劣的環(huán)境。BMS需要能夠提供高水平的噪聲抑制，才能保持精度。濾波是用來(lái)減少無(wú)用噪聲的經(jīng)典方法，但它需要在降低噪聲與轉換速度之間進(jìn)行權衡。由于需要轉換和傳輸的電池電壓很高，因此轉換時(shí)間不能太長(cháng)。SAR轉換器或許是理想選擇，但在多路復用系統中，速度受到多路復用信號的建立時(shí)間限制。此時(shí)，Σ-Δ轉換器則成為有效的替代方案。
ADI的測量IC采用了Σ-Δ模數轉換器(ADC)。通過(guò)Σ-Δ ADC，可在轉換過(guò)程中輸入進(jìn)行多次采樣，然后取其平均值。結果構成內置低通濾波，從而可消除作為測量誤差源的噪聲；截止頻率由采樣速率確定。LTC6811采用了一個(gè)三階Σ-ΔADC，具有可編程采樣速率和八個(gè)可選截止頻率。圖8顯示了八個(gè)可編程截止頻率的濾波器響應。通過(guò)對所有12節電池在290 µs的時(shí)間內快速完成測量，可實(shí)現出色的降噪效果。大電流注入測試將100 mA的RF噪聲耦合到連接電池與IC的導線(xiàn)中，該測試顯示測量誤差小于3 mV。
電池平衡以?xún)?yōu)化電池容量
即使能精確地制造和選擇電池，它們之間也會(huì )顯示出細微的差異。電池之間任何的容量不匹配都會(huì )導致電池組整體容量的減少。
為了更好地理解這一點(diǎn)，我們來(lái)考慮一個(gè)示例，其中各節電池保持在滿(mǎn)容量的10%到90%之間。深度放電或過(guò)度充電會(huì )大大縮短電池的有效使用壽命。因此，BMS提供欠壓保護(UVP)和過(guò)壓保護(OVP)電路，以幫助防止出現這些情況。當容量最低的電池達到OVP閾值時(shí)，將停止充電過(guò)程。在這種情況下，其他電池尚未充滿(mǎn)電，并且電池儲能沒(méi)有達到最大允許的容量。同樣，當最低充電量的電池達到UVP限值時(shí)，系統停止工作。另外，電池組中仍然有能量可為系統供電，但是出于安全原因，不能繼續使用電池組。
顯然，電池組中最弱的電池支配著(zhù)整個(gè)電池組的性能。電池平衡是一種通過(guò)在電池充滿(mǎn)電時(shí)均衡電池之間的電壓和SOC來(lái)幫助克服此問(wèn)題的技術(shù)。5電池平衡技術(shù)有兩種：被動(dòng)和主動(dòng)。
使用被動(dòng)平衡時(shí)，如果一節電池過(guò)度充電，就會(huì )將多余的電荷耗散到電阻中。通常，采用一個(gè)分流電路，該電路由電阻和用作開(kāi)關(guān)的功率MOSFET組成。當電池過(guò)度充電時(shí)，MOSFET關(guān)斷，將多余的能量耗散到電阻中。LTC6811使用一個(gè)內置MOSFET來(lái)控制各節電池的充電電流，從而平衡被監視的每節電池。內置MOSFET可使設計緊湊，并能夠滿(mǎn)足60 mA的電流要求。對于更高的充電電流，可以使用外部MOSFET。該器件還提供了定時(shí)器來(lái)調整平衡時(shí)間。
耗散技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是低成本和低復雜度。缺點(diǎn)是能量損耗大并且熱設計更復雜。而另一方面，主動(dòng)平衡會(huì )在模塊的其他電池之間重新分配多余的能量。這樣，可以回收能量并且產(chǎn)生的熱量更低。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是硬件設計更復雜。
圖9.采用主動(dòng)平衡的12節電池的電池組模塊。
圖9顯示了采用LT8584實(shí)現的主動(dòng)平衡。該架構通過(guò)主動(dòng)分流充電電流，并將能量返回電池組來(lái)解決被動(dòng)分流平衡器存在的問(wèn)題。能量并沒(méi)有以熱量的形式發(fā)生損耗，而是被重新利用，為電池組中的其余電池充電。該器件的架構還解決了一個(gè)問(wèn)題，即當電池組中的一節或多節電池在整個(gè)電池組容量用盡之前就達到較低安全電壓閾值時(shí)，會(huì )造成運行時(shí)間減少。只有主動(dòng)平衡才能將電荷從強電池重新分配到弱電池。這樣可以使弱電池繼續為負載供電，從而可從電池組中提取更高百分比的能量。反激式拓撲結構允許電荷在電池組內任意兩點(diǎn)之間往返。大多數應用將電荷返回到電池模塊（12節或更多），其他一些應用則將電荷返回到整個(gè)電池組，還有些應用將電荷返回到輔助電源軌。
結論
低排放車(chē)輛的關(guān)鍵是電氣化，但還需要對能源（鋰離子電池）進(jìn)行智能管理。如果管理不當，電池組可能會(huì )變得不可靠，從而大大降低汽車(chē)的安全性。高精度有助于提高電池的性能和使用壽命。主動(dòng)和被動(dòng)電池平衡可實(shí)現安全高效的電池管理。分布式電池模塊易于支持，并且將數據穩定地傳遞到BMS控制器（無(wú)論是有線(xiàn)方式還是無(wú)線(xiàn)方式）能夠實(shí)現可靠的SOC和SOH計算。
