凌力爾特專家：如何用電子器件提高電動汽車的電池性能

　　作者：凌力爾特公司信號調(diào)理產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)理 Mike Kultgen

　　混合動力電動型汽車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)計領(lǐng)域的新技術(shù)使電池組設(shè)計師能進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能。更高的測量準(zhǔn)確度、更堅固的數(shù)據(jù)鏈路和電池容量的主動電荷平衡都幫助實現(xiàn)了更低的成本、更長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)用電池數(shù)據(jù)計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)。

　　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的測量準(zhǔn)確度對系統(tǒng)成本有直接影響。需要準(zhǔn)確的測量以實現(xiàn)有用的電荷狀態(tài)（SOC）計算。為了實現(xiàn)長壽命，電池組一般在20%至80%的SOC 之間工作。如果在SOC計算中有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計算以實現(xiàn)1%的誤差意味著，每個電池組能節(jié)省約300歐元（385美元）。

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

　　對于諸如售價480歐元（615美元）的Fluke-289手持式萬用表等實驗室設(shè)備，測量3.3V至1mV以內(nèi)的電壓是司空見慣的。AFE IC必須以1/100的成本提供相同的性能，并在汽車環(huán)境中連續(xù)工作15個年。只有為數(shù)不多的IC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

　　真實世界中的準(zhǔn)確度

　　什么樣的IC技術(shù)最適合電池測量呢？答案可從圖2（典型AFE IC的方框圖）的誤差分析獲得。12個串接電池之一由多路復(fù)用器（MUX）模塊來選擇。通過閉合“S”開關(guān)把電池電壓存儲在一個電容器上。斷開“S”開關(guān)，然后閉合“T”開關(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)生一個與VCELL和VREF之比成比例的數(shù)字結(jié)果。

　　圖2：典型模擬前端IC

　　如果開關(guān)的阻抗太大，無法在很短的采樣時間內(nèi)給電容器充電，那么MUX和飛跨電容器就可能引入測量誤差。細(xì)致的開關(guān)電容器設(shè)計可消除這個誤差項。

　　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)計與器件微調(diào)相結(jié)合，可降低ADC引起的誤差。