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汽车与公路设备 |
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混合动力及电动汽车的电池管理技巧 |
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作者：凌力尔特公司信号调理产品部 Greg Zimmer |
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对于混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)而言，使用锂离子电池可在功率、能量密度、效率和环境影响之间取得最佳平衡。但同时，锂离子电池也是易损坏和危险的，而汽车环境又相当棘手、难以应付。混合动力汽车和电动汽车中电子产品面临的挑战是，如何弥补要求苛刻的汽车环境和电池敏感特性之间的差距。
考虑到汽车对能量、功率和环境的要求，安全、可靠地使用大型锂离子电池组绝对不是一个简单的任务。锂离子电池以完全充电或完全满放电状态工作时，其容量会降低。考虑到循环充电、电池组之间的差别和不同的环境条件，每节电池的容量都会随着时间推移而降低并产生偏离。因此，要实现15年、5000个充电周期的目标，每节电池都必须保持在有限的工作范围内工作。通过控制每节锂离子电池的充电状态(SOC)，可以最大限度地提高电池组的容量，同时尽可能地减缓容量的下降。确保高效率、安全地使用汽车电池组是电池管理系统(BMS)的责任。
电池管理系统的任务是仔细跟踪和控制每节电池的充电状态。电池管理系统的测量准确度至关重要，因为它决定了每节电池能工作在多么接近其可靠的充电范围。最大限度地提高可用容量的能力决定了所需的电池数量，而电池数量对成本和重量有很大的影响。准确地测量每节电池的电压相当困难，因为电池组中的电池易受高共模电压和高频噪声的影响。为便于理解这一点，可以考虑以下事实：电动汽车/混合动力汽车的电池组通常由100至200个串联的电池组成，电压非常高。这类电池组必须提供可能超过200A的快速充电和放电电流，在电池组的顶端，电压瞬态有可能超过100V。
对成本和可靠性的关注驱动着汽车电子产品向更高集成度、更少组件数的方向发展。在高度复杂的电池管理系统中，这种趋势尤其明显，我们看到这类系统中已经出现了诸如凌力尔特的LTC6802等电池监视IC。在新型电池管理系统中，这类高集成度器件是关键的数据采集组件，与之前的分立式解决方案相比，这类器件减少了成本、占用的空间以及组件数。
电池监视器的主要功能是直接测量串联电池的电压，通常每个IC监视12个通道。这类IC中还包括电池容量平衡控制和额外的测量输入(如用于温度的输入)。为了管理高压电池组，这类器件通常设计为通过菊花链式串行接口相互通信。电池管理系统中，通常不太可能集成到电池监视IC中的元素就是嵌入式软件。SOC算法是受严密保护的技术，针对化学组成、尺寸、外形、工作条件和应用而定制。对于新型高压、大功率电池组和嵌入式软件而言，现有的算法可能并没有价值，这使得故障机制效果分析(FMEA)变得复杂，此时系统设计工程师无法进行直接控制。图1说明了由任意节电池组成的电池模块的基本配置，其中电池管理系统的算法是软件编码的，并由开发商独家控制。
图1：电动/混合动力汽车电池模块的基本拓扑
电池监视IC的一个关键考虑因素是，怎样处理将会碰到的汽车噪声。例如，很多电池监视器采用快速SAR转换器实现电池的数字化，在超过100个通道的数据采集系统中，这似乎能带来很多好处。但是，汽车中的噪声环境需要进行大量滤波，而且这种滤波决定了有效吞吐量(而非采样率)。基于这个原因，Delta Sigma ADC比SAR转换器更有优势。对于给定的10kHz噪声抑制量而言，每秒1000次采样的ADC可提供与每秒100万次采样的SAR ADC相同的吞吐量。例如，LTC6802采用一个每秒1000次采样的???ADC，该ADC在10ms时间内可顺序对10个输入通道采样。内置的线性相位数字滤波器对10kHz开关噪声提供36dB的噪声抑制。要在10kHz时获得相同的噪声抑制，每秒100万次采样的SAR转换器在每节电池上都需要一个转角频率为160Hz的单极RC滤波器(参见图2)。RC滤波器的12位稳定时间为8.4ms，即使SAR ADC能在10us时间内顺序对10个通道采样，但由于滤波器的响应，每8.4ms超过1次的扫描也是没有意义的。
图2：转换器和采用RC电路的SAR转换器的比较：??转换器以更好的滤波性能提供同样的有效吞吐量
如果有一长串电池监视IC，那么串行接口也是一个重要的考虑因素，凌力尔特公司可提供两种截然不同的选择。一种选择(也是大多数电池监视IC所支持的)是菊花链式接口。采用菊花链式接口时，链中每个IC无需光耦合器或隔离器就可与相邻IC通信，只留下底部的器件与单个微处理器或控制单元连接。此外，凌力尔特还提供第二种选择，即采用单独可寻址的串行接口。采用这种方案时，单个微控制器通过隔离与多个并联器件通信。这种拓扑提供本身更加可靠的“星形配置”，因为失去与一个器件的通信并不会隔断与其他任何器件的通信。可寻址器件还可用在经过修改的菊花链式拓扑中，在这种拓扑中，相对昂贵的隔离器已经成为过去，取而代之的是较便宜的“晶体管化”SPI总线配置。最终可获得具有极宽兼容范围的串行接口。
经过两年的生产和经过实践检验的设计，凌力尔特推出了第二代器件。对比第一代和第二代器件，可以对未来高压电池系统的发展方向有一些深入的了解。LTC6803的主要目标之一是即使在最极端的噪声情况下，也能确保无差错通信。对所有指令和数据都进行包误差检测，以确保通信完整性。LTC6803系列还继续支持菊花链式和单独可寻址串行通信，同时LTC6803菊花链能承受超过20V的AC噪声和30V的快速开关尖峰，而不会产生误差(图3)。
图3：第二代菊花链可抵抗强噪声
LTC6803具有独立的电源输入，该输入可被断开，同时其他连接保持完好无损(图4a)。在这种硬件停机的情况下，LTC6803仅汲取几个nA的电流。这对电池组的长期储存很重要，因为集成的电池管理系统所消耗的电流有可能使电池组中的电池容量失衡。LTC6803还可以用一个独立的电源工作，从而允许从一个单独的电源而非电池组中汲取电源电流。如图4b所示，该器件还允许使用简单的断电功能。此外，采用单独的电源时，即使所有电池电压都已急剧下降(在使用超级电容器和燃料电池时可能出现)，LTC6803仍可继续监视大量电池。图4c说明了拥有独立电源输入的优点。
图4a：硬件停机
图4b：独立电源供电
图4c：电源电流与工作模式的关系
汽车中日益增多的电子产品日益正在驱动有关汽车电子产品质量和可靠性的新标准产生。因此，涌现了诸如AEC Q100和ISO 26262等汽车电子产品标准。这些标准转化成了广泛的限定条件和内部功能，以确保满足系统安全要求。例如，LTC6803是与ISO 26262兼容的系统。ISO 26262是一个功能性的安全标准，定义了汽车系统的安全要求，并对系统级设计问题产生影响，如冗余度、网络配置、数据收集、传感器等等。LTC6803内置了导线开路检测、数字滤波器检测、多路复用器解码器检测以及看门狗定时器和一个冗余电压基准，以实现全面的自测试能力。
LTC6803还包含很多其他的改进，以满足标准汽车设计之外的需求。例如，LTC6803提供-300mV至5V的扩展测量范围，该范围支持监测超级电容器和镍氢金属电池。LTC6803的技术规格针对-40°C至125°C的工作温度范围全面拟定，该器件还能承受高达75V的电源电压，以提供超过20%的过压裕度。
图5：LTC6803的内部自测试功能
汽车环境对电子产品而言非常严酷，但汽车的日益电气化也是无可辩驳的事实。电动汽车和混合动力汽车中的锂离子电池系统不久将成为主流，而诸如LTC6803等尖端测量器件是锂离子电池系统的关键成功因素。不仅需要这类器件来实现准确测量，而且这些器件必须能在非常苛刻的条件下长期可靠工作。LTC6802已被证明有良好的发展轨迹，毫无疑问，在未来的汽车市场上，LTC6803将继续LTC6802的辉煌。
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(投稿)
(5/27/2011) |
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