用電子器件提高電動(dòng)汽車(chē)的電池性能

 混合動(dòng)力電動(dòng)型汽車(chē)電池中的電子器件是提高性能和安全性的關(guān)鍵。在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新技術(shù)使電池組設(shè)計(jì)師能進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能。更高的測(cè)量準(zhǔn)確度、更堅(jiān)固的數(shù)據(jù)鏈路和電池容量的主動(dòng)電荷平衡都幫助實(shí)現(xiàn)了更低的成本、更長(zhǎng)的行駛周期和更快的充電。

典型的電池組方框圖(圖1)由幾組串聯(lián)連接的鋰離子電池組成，它們的測(cè)量和平衡由高壓模擬集成電路完成。這些模擬前端(AFE)IC執(zhí)行艱難的測(cè)量每節(jié)電池電壓、電流和溫度的任務(wù)，并向控制電路傳遞數(shù)據(jù)?？刂破鬟\(yùn)用電池?cái)?shù)據(jù)計(jì)算電池組的電荷狀態(tài)和健康狀態(tài)?？刂破骺赡苊钋岸薎C給某些電池充電或放電，以在電池組內(nèi)保持平衡的電荷狀態(tài)。

BATTERY PACK：電池組

DATA PORT：數(shù)據(jù)端口

CONTROLLER：控制器

State of Charge：電荷狀態(tài)

State of Health：健康狀態(tài)

System Safety：系統(tǒng)安全

DATA BUS：數(shù)據(jù)總線

ISOLATION BARRIER：隔離勢(shì)壘

MEASURE BALANCE：測(cè)量與平衡

12 SERIES LI-ION CELLS：12節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池

圖1：電池組方框圖

更高的準(zhǔn)確度意味著更低的成本

模擬前端IC的測(cè)量準(zhǔn)確度對(duì)系統(tǒng)成本有直接影響。需要準(zhǔn)確的測(cè)量以實(shí)現(xiàn)有用的電荷狀態(tài)(SOC)計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命，電池組一般在20%至80%的SOC之間工作。如果在SOC計(jì)算中有5%的不確定性，那么電池組的尺寸就必須增大5%，這導(dǎo)致電池的成本顯著增大。給一個(gè)16kW-hr電池組增加5%的容量，需要約360歐元(460美元)。改進(jìn)SOC計(jì)算以實(shí)現(xiàn)1%的誤差意味著，每個(gè)電池組能節(jié)省約300歐元(385美元)。

電池電壓測(cè)量是SOC算法的關(guān)鍵要素。當(dāng)測(cè)量3.3V LiFePO4(磷酸鐵鋰)電池時(shí)，IC電源和電池組開(kāi)發(fā)人員都集中采用總測(cè)量誤差1mV的規(guī)格。

對(duì)于諸如售價(jià)480歐元(615美元)的Fluke-289手持式萬(wàn)用表等實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，測(cè)量3.3V至1mV以內(nèi)的電壓是司空見(jiàn)慣的。AFE IC必須以1/100的成本提供相同的性能，并在汽車(chē)環(huán)境中連續(xù)工作15個(gè)年。只有為數(shù)不多的IC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

真實(shí)世界中的準(zhǔn)確度

什么樣的IC技術(shù)最適合電池測(cè)量呢?答案可從圖2(典型AFE IC的方框圖)的誤差分析獲得。12個(gè)串接電池之一由多路復(fù)用器(MUX)模塊來(lái)選擇。通過(guò)閉合“S”開(kāi)關(guān)把電池電壓存儲(chǔ)在一個(gè)電容器上。斷開(kāi)“S”開(kāi)關(guān)，然后閉合“T”開(kāi)關(guān)。電池兩端的電壓將轉(zhuǎn)移至ADC.這種“飛跨電容器”方案消除了頂端電池33V的大共模電壓，并保持了3.3V的差分電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電池電壓與其電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，并產(chǎn)生一個(gè)與VCELL和VREF之比成比例的數(shù)字結(jié)果。

DATA I/O：數(shù)據(jù)I/O

VOLTAGE REFERENCE：電壓基準(zhǔn)

圖2：典型模擬前端IC

如果開(kāi)關(guān)的阻抗太大，無(wú)法在很短的采樣時(shí)間內(nèi)給電容器充電，那么MUX和飛跨電容器就可能引入測(cè)量誤差。細(xì)致的開(kāi)關(guān)電容器設(shè)計(jì)可消除這個(gè)誤差項(xiàng)。

由ADC進(jìn)行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換還可能由于器件失配而引入誤差。其次，細(xì)致的設(shè)計(jì)與器件微調(diào)相結(jié)合，可降低ADC引起的誤差。

AFE IC的基本限制來(lái)自電壓基準(zhǔn)

假如電壓基準(zhǔn)下降了1%，則所有的讀數(shù)都將增加1%.電壓基準(zhǔn)是由某種物理量產(chǎn)生的，可以是反向偏置PN結(jié)的雪崩擊穿(一個(gè)齊納基準(zhǔn))、兩個(gè)基極-發(fā)射極電壓之差(一個(gè)帶隙基準(zhǔn))、或一個(gè)電容器上存儲(chǔ)的電荷(一個(gè)EPROM基準(zhǔn))。每個(gè)AFE IC在生產(chǎn)中都進(jìn)行了微調(diào)，以使電壓基準(zhǔn)的初始值非常準(zhǔn)確。不幸的是，視IC技術(shù)的不同而不同，電壓基準(zhǔn)可能隨著時(shí)間、溫度、濕度和印刷電路板(PCB)組裝應(yīng)力的不同而產(chǎn)生極大的變化。這導(dǎo)致一些IC廠商只提出“典型”準(zhǔn)確度，而關(guān)于AFE IC在真實(shí)世界中會(huì)怎樣表現(xiàn)則未提供指導(dǎo)。

要在嚴(yán)酷的汽車(chē)環(huán)境中運(yùn)行，最佳技術(shù)是齊納基準(zhǔn)。數(shù)年來(lái)，凌力爾特新的LTC6804 AFE電池組監(jiān)視器IC運(yùn)用齊納電壓基準(zhǔn)技術(shù)，以保持優(yōu)于所需的準(zhǔn)確度。LTC6804比前一代產(chǎn)品有了顯著改進(jìn)，前一代產(chǎn)品依靠帶隙電壓基準(zhǔn)。例如，考慮PCB組裝所產(chǎn)生的應(yīng)力。AFE IC在焊接過(guò)程中會(huì)遭受幾種熱沖擊。在塑料封裝和銅引線框架的膨脹和收縮過(guò)程中，芯片會(huì)經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力。帶隙基準(zhǔn)的表現(xiàn)就像一個(gè)應(yīng)變計(jì)，將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)電壓的變化。電壓基準(zhǔn)的任何變化都會(huì)直接降低電池測(cè)量的準(zhǔn)確度。PCB器件應(yīng)力的影響示于圖3，在熱沖擊之前和之后對(duì)10個(gè)AFE IC(3種類型)進(jìn)行了測(cè)量?；鶞?zhǔn)漂移以電池測(cè)量誤差(單位是mV)來(lái)表示(假設(shè)采用的是一個(gè)3.3V電池)。

mV of additional measurement error due to PCB assembly：由于PCB組裝而產(chǎn)生的額外測(cè)量誤差(單位mV)

Number of units out of 10：來(lái)自10個(gè)器件的個(gè)數(shù)

Competitor：競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件

Hours in the test chamber with， then without a cup of water：在有、然后是沒(méi)有一杯水的測(cè)量室中的時(shí)間(小時(shí))

mV of additional measurement error due to humidity：由于濕度而產(chǎn)生的額外測(cè)量誤差(單位mV)

Competitor：競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件

Years of Operation：工作年限

mV of additional measurement error due to long term reference drift：由于長(zhǎng)期基準(zhǔn)漂移而產(chǎn)生的額外測(cè)量誤差(單位mV)

LTC6802 Worst Case Measured bandgap Drift：LTC6802在最差情況下測(cè)得的帶隙漂移

LTC6804 Worst Case Measured Zener Drift(data from LT1021)：LTC6804在最差情況下測(cè)得的齊納漂移(數(shù)據(jù)來(lái)自LT1021)

Years of Operation：工作年限

mV of additional measurement error due to long term reference drift：由于長(zhǎng)期基準(zhǔn)漂移而產(chǎn)生的額外測(cè)量誤差(單位mV)

Estimated mV Error = X * 3.3. /(SQRT[hours/1000])/ 1000：估計(jì)的mV誤差= X * 3.3/ [√(小時(shí)/1000)] / 1000

LTC other bandgap based AFE IC's：LTC6802和其他基于帶隙的AFE IC

圖3：生產(chǎn)之后的測(cè)量誤差。由于真實(shí)世界因素(a)PCB組裝應(yīng)力、(b)濕度變化、(c)所測(cè)得的基準(zhǔn)漂移和(d)估計(jì)的長(zhǎng)期基準(zhǔn)漂移而產(chǎn)生的3.3V電池測(cè)量誤差。

濕度是另一個(gè)考慮因素。潮氣滲進(jìn)塑料封裝，并改變機(jī)械應(yīng)力。對(duì)應(yīng)力敏感的基準(zhǔn)會(huì)出現(xiàn)電壓變化。最后，還有長(zhǎng)期漂移。在IC封裝組裝過(guò)程中，芯片會(huì)受到應(yīng)力。這種應(yīng)力隨著時(shí)間推移而緩慢釋放，導(dǎo)致基準(zhǔn)產(chǎn)生變化。在運(yùn)行數(shù)千小時(shí)以后，這種影響會(huì)減小，這就是長(zhǎng)期漂移規(guī)定以ppm/√kHr為單位的原因。圖3顯示了3000小時(shí)以后所測(cè)得的漂移以及預(yù)計(jì)15年以后的漂移。

總之，提高電池測(cè)量準(zhǔn)確度可提高性能。就真實(shí)世界應(yīng)用的測(cè)量準(zhǔn)確度而言，采用齊納電壓基準(zhǔn)的AFE IC是最佳技術(shù)，正如圖3中的產(chǎn)品比較所示。

新的隔離式數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)模塊化電池組

電池組設(shè)計(jì)師受到激勵(lì)開(kāi)發(fā)模塊化系統(tǒng)。16kW-hr的電池也許不便于放入汽車(chē)內(nèi)的單個(gè)艙中。此外，為了經(jīng)濟(jì)的適用性和保修，8，000歐元(10，235美元)的電池組可以分成小的模塊。而且，單個(gè)模塊化電池組設(shè)計(jì)可以擴(kuò)大或縮小，以滿足很多不同汽車(chē)平臺(tái)的需求。

倘若把一個(gè)大型電池組拆分成若干個(gè)較小的模塊，則會(huì)使電氣連接的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜化。在電池模塊和控制電路之間傳輸數(shù)據(jù)需要一個(gè)線束。線束將遭受?chē)?yán)重的電磁干擾(EMI)。必須仔細(xì)注意數(shù)據(jù)通信硬件和軟件。AFE IC領(lǐng)域的新發(fā)明可以極大地降低數(shù)據(jù)通信的成本，同時(shí)保護(hù)電池組免受EMI影響。

2012年生產(chǎn)具備模塊化電池組的汽車(chē)一般采用結(jié)合的CAN(控制器局域網(wǎng))通信和數(shù)字隔離器，如圖4所示。CAN用兩條導(dǎo)線提供堅(jiān)固的通信。一個(gè)小型微處理器(MPU)將數(shù)據(jù)從CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換到AFE IC更簡(jiǎn)單的SPI或I2C協(xié)議。模塊之間的隔離由一個(gè)數(shù)字隔離器IC提供，這有時(shí)需要一個(gè)隔離式電源。CAN收發(fā)器、MPU和隔離器IC合起來(lái)的成本大約為3.5歐元(4.50美元)。

CONTROL MODULE：控制模塊

BATTERY MODULE：電池模塊

12 CELLS：12節(jié)電池

~3.5 EUROS：大約3.5歐元

圖4：運(yùn)用CAN的隔離式數(shù)據(jù)通信

新的LTC6804 AFE IC消除了CAN的成本和軟件復(fù)雜性問(wèn)題，同時(shí)在模塊之間提供堅(jiān)固和隔離式兩線數(shù)據(jù)傳送。圖5顯示，用LTC6804的isoSPI端口與一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖變壓器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電池模塊的互連。另一種凌力爾特IC是LTC6820隔離式SPI接口IC，將任何微處理器的SPI端口連接到isoSPI總線。來(lái)自微處理器的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和芯片選擇信號(hào)由LTC6820編碼成不同的脈沖。LTC6804將這些脈沖解碼回時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和芯片選擇信號(hào)。微處理器將LTC6804 AFE IC看作一個(gè)簡(jiǎn)單的SPI外圍設(shè)備。透明的isoSPI總線提供電流隔離和抵抗EMI的能力。

CONTROL MODULE：控制模塊

BATTERY MODULE：電池模塊

12 CELLS：12節(jié)電池

圖5：運(yùn)用isoSPI實(shí)現(xiàn)的隔離式數(shù)據(jù)通信

isoSPI脈沖的信號(hào)強(qiáng)度和兩線連接的阻抗是可調(diào)的。通過(guò)改變電阻器的值(未顯示)，用戶可以提高信號(hào)電流。這種靈活性意味著，isoSPI總線可以定制以通過(guò)100米電纜通信并抑制高干擾電平。LTC6804 AFE IC包括15位循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，以確保數(shù)據(jù)的完整性。圖6說(shuō)明了大電流注入(BCI)測(cè)試的結(jié)果。BCI測(cè)量一個(gè)系統(tǒng)的抗電磁干擾性。RF能量通過(guò)夾在電纜的探頭注入。另一個(gè)探頭測(cè)量所產(chǎn)生的RF電流。數(shù)據(jù)包通過(guò)電纜發(fā)送，CRC用來(lái)查看是否有數(shù)據(jù)損壞。采用幾種不同的isoSPI數(shù)據(jù)脈沖強(qiáng)度來(lái)重復(fù)測(cè)試。20mA isoSPI數(shù)據(jù)脈沖不受200mA RF注入的影響。

RF Frequency：RF頻率

% of Good Data Packets：好數(shù)據(jù)包的比例(%)

Data Errors with 200mA RF Interference Level：在200mA RF干擾時(shí)的數(shù)據(jù)誤差

20mA isoSPI strength， no errors： 20mA isoSPI強(qiáng)度，無(wú)誤差

10mA isoSPI strength： 10mA isoSPI強(qiáng)度

2mA isoSPO strength： 2mA isoSPI強(qiáng)度

圖6：isoSPI抗RF干擾能力

主動(dòng)電荷平衡加速充電并增大能量

所有串聯(lián)連接的電池都需要平衡。一節(jié)電池到另一節(jié)電池的自放電速率、電子負(fù)載和溫度都不同。經(jīng)過(guò)很多充電和放電周期后，這些差別導(dǎo)致電池電荷狀態(tài)出現(xiàn)不容忽視的不平衡。電荷不平衡會(huì)降低電池組容量。例如，如果一節(jié)電池的電量比其他電池多10%，這時(shí)給電池組加上充電電流，那么這節(jié)電池就會(huì)達(dá)到80%的充電狀態(tài)限制，而其他電池則充電到70%.電池組中的可用電量減少了10%.被動(dòng)平衡通過(guò)一個(gè)負(fù)載電阻器消耗單節(jié)電池的電量，對(duì)于在串聯(lián)連接的電池組中平衡失配電池而言，這是成本最低和最簡(jiǎn)單的方式。大多數(shù)AFE IC都支持被動(dòng)平衡。

被動(dòng)平衡能效低且速度慢。典型的平衡電流范圍為電池容量的1%至5%.要從一個(gè)40A-hr的電池消耗10%的電量，在I = 400mA時(shí)需要10個(gè)小時(shí)，或者在I = 2A時(shí)產(chǎn)生8W的熱量。很多電池都可能需要平衡。就大容量電池組而言，被動(dòng)平衡器產(chǎn)生的熱量是不可接受的，而高效率、大電流主動(dòng)電荷平衡器是惟一可行的解決方案。

主動(dòng)電荷平衡不僅能以更低的熱量加速充電，而且有助于恢復(fù)容量。電池隨著老化容量會(huì)下降。由于電池組的溫度變化率和電池制造差異，隨著時(shí)間推移，電池會(huì)有不同程度的老化。電池甚至有可能在維修時(shí)被替換。在采用被動(dòng)平衡方式時(shí)，電池組的容量由最薄弱的一節(jié)電池決定。平衡電池組并充電至80%.當(dāng)最薄弱的電池達(dá)到20%時(shí)，電池組的放電就停止了。正確設(shè)計(jì)的主動(dòng)電荷平衡系統(tǒng)將按照需要，高效率地在整個(gè)電池組中重新分配電荷，并基于平均容量的電池而不是最低容量的電池確保達(dá)到20%和80%狀態(tài)。為了最大限度地延長(zhǎng)電池組的運(yùn)行時(shí)間，在電池組的充電和放電過(guò)程中，都必須對(duì)電池加以平衡。

LTC3300和LT8584等的新IC將在汽車(chē)電池組中實(shí)現(xiàn)主動(dòng)電荷平衡。LTC3300(圖7)為滿足大型電池系統(tǒng)的雙向主動(dòng)平衡需求而設(shè)計(jì)。

CHARGE SUPPLY：供應(yīng)電荷

CHARGE RETURN：電荷返回

NEXT CELL ABOVE：上節(jié)電池

NEXT CELL BELOW：下節(jié)電池

圖7：采用LTC6804和LTC3300的監(jiān)視器和主動(dòng)電荷平衡解決方案

這采用了一種非隔離型同步反激式拓?fù)?，一次最多可?duì)12個(gè)或更多鄰接電池中的6個(gè)電池進(jìn)行電荷平衡。平衡電流可能高達(dá)10A.通過(guò)將每個(gè)反激式變壓器的副端交錯(cuò)連接，電荷可從一個(gè)由12節(jié)電池組成的模塊傳送至一個(gè)模塊。可實(shí)現(xiàn)非常高的傳送效率(>92%)，而且就典型的電池至電池失配情況而言，可以實(shí)現(xiàn)非常高的容量恢復(fù)(>80%)。LT3300可以通過(guò)LTC6804上的串行端口來(lái)控制。這兩個(gè)IC建立了準(zhǔn)確和易于使用的電池監(jiān)視器和平衡系統(tǒng)。

LT8584(圖8)單片反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器用單向拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了主動(dòng)平衡。這種單向方式有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即從一個(gè)給定電池向整個(gè)電池組重新分配電荷，從而提供高效率電池放電。這種拓?fù)淇赡軆H在放電方向移動(dòng)電荷，因此對(duì)給定電池的“充電”會(huì)比雙向方式的效率低。集成的6A電源開(kāi)關(guān)支持2.5A平均平衡電流。LT8584還可以測(cè)量平衡電流、芯片溫度和電纜電阻。LT8584直接連接到LTC6804 AFE IC，實(shí)現(xiàn)了又一個(gè)易于使用兩個(gè)IC來(lái)監(jiān)視和平衡的方案。

MODULE：模塊

2.5A AVERAGE DISCHARGE 1：2.5A平均放電電流1

READ CELL PARAMETERS：讀電池參數(shù)

ENABLE BALANCING：實(shí)現(xiàn)平衡

BATTERY STACK MONITOR：電池組監(jiān)視器

圖8：采用LTC6804和LT8584的監(jiān)視器和主動(dòng)電荷平衡解決方案

新的IC提高性能并降低成本

LTC6804等測(cè)量IC提供有保證的測(cè)量準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，因此電池組可從每節(jié)電池抽取最多能量。isoSPI等簡(jiǎn)單的隔離式兩線通信方案最大限度地降低了器件成本，并提供抗電磁干擾能力。LTC3300和LT8584主動(dòng)電荷平衡IC加速充電，并最大限度地提高電池容量。這些令人振奮的新IC是最先進(jìn)和面向新一代(混合)電動(dòng)型汽車(chē)電池組的產(chǎn)品。