电动/混合动力汽车中电池管理经验之谈
2011-10-16
来源：中电网
就混合动力汽车 (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的电子产品面临的挑战是，弥补要求苛刻的汽车环境和电池敏感性之间的差距。汽车环境的苛刻和电池的敏感堪称地狱中的绝配。
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。锂离子电池以满充电状态或满放电状态工作时，容量会降低。考虑到循环往复的充电、组与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，电池组要实现 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，同时最大限度地减轻容量的降低。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多么靠近其可靠充电状态范围的边缘工作。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。为了理解这一点，我们想想以下事实：电动汽车/混合动力汽车的电池组通常电压非常高，由 100 至 200 个串联连接的电池组成。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导致汽车电子产品向集成度更高、组件数更少的方向发展。在高度复杂的电池管理系统中，这种趋势尤其明显，在这类系统中，我们看到，诸如凌力尔特 LTC6802 这类电池监视 IC 已经出现。在新式电池管理系统中，这类高度集成的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，这类器件降低了成本、减少了所需占用的空间和组件数。电池监视器的主要功能是，直接测量串联连接电池的电压，典型情况下每个 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)。为了应对高压电池组，这类器件一般设计为通过菊花链式串行接口相互通信。在电池管理系统中，有一个组成部分一般不可能成功集成到电池监视 IC 中，那就是嵌入式软件。充电状态算法是受到严密保护的技术，是特定于化学组成、尺寸、外形、工作条件和应用的。就新式高压、大功率电池组而言，现成有售的算法不可能有用，嵌入式软件使故障机制影响分析 (FMEA) 变得复杂了，在使用嵌入式软件的情况下，系统设计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，其中电池组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，怎样处理将遇到的汽车噪声。例如，很多电池监视器使用快速 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，这似乎是有利的。然而，汽车环境是有噪声的，需要进行大量的滤波，而且这种滤波决定有效吞吐量，而不是采样率。由于这个原因，增量累加 (DS) ADC 比 SAR 转换器有优势。就给定的 10kHz 噪声抑制量而言，每秒 1000 次采样的 DS ADC 提供的吞吐量与每秒 100 万次采样的 SAR ADC 提供的吞吐量相同。例如，LTC6802 采用一个每秒 1000 次采样的 DS 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 的单极性 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，由于滤波器的响应，每 8.4 ms 超过 1 次的扫描也是没有意义的。
图 2：增量累加转换器和采用 RC 电路的 SAR 转换器的比较增量累加转换器以更好的滤波性能提供同样的有效吞吐量
在一长串电池监视 IC 的情况下，串行接口也是一个重要的考虑因素，凌力尔特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，无需光耦合器或隔离器，链中每个 IC 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。采用这种接口，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，取而代之的是不那么昂贵的“晶体管化”SPI 总线配置。结果是具有极宽兼容范围的串行接口。
经过两年的生产并基于经过实践检验的设计，凌力尔特推出了第二代器件。比较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。 对所有命令和数据都进行包误差检测，以确保通信完整性。LTC6803 系列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 有独立的电源输入，该输入可断接，同时其他连接保持完好无损 (图 4a)。在这种硬件停机情况下，LTC6803 仅吸取几 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不是电池组吸取电源电流，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，即使所有电池的电压都已急剧下降 (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
汽车中的电子产品日益增多，这促使产生了有关汽车电子产品质量和可靠性的新标准。因此，出现了诸如 AEC Q100、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 是一个实用的安全标准，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、数字滤波器检查、多路复用器解码器检查功能以及看门狗定时器和一个备用电压基准，以实现全面的自测试能力。
图5：LTC6803的内部自测试功能
LTC6803 中还包括很多其他改进，以满足标准汽车设计之外的需求。例如，LTC6803 提供扩展的 -300mV 至 5V 测量范围，该范围支持超级电容器和镍氢金属电池。LTC6803 完全规格在 -40°C 至 125°C 的温度范围内工作，LTC6803 还设计成能承受高达 75V 的电源电压，以提供超过 20% 的过压裕度。
汽车环境对电子产品而言非常严酷，然而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就将成为主流，而诸如 LTC6803 等尖端测量器件是锂离子电池系统取得成功所必不可少的。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艰难的条件下长期可靠工作。今天，凌力尔特的 LTC6802 已经通过跑在路上的汽车证明，上述看法是正确的。毫无疑问，在明天的汽车市场上，LTC6803 无疑将继续 LTC6802 的辉煌。