一款高效電池管理系統(tǒng)的構(gòu)建

假定你接受了一項(xiàng)任務(wù)，為一個(gè)新的和基于電池的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)監(jiān)視器電路，那么你會(huì)采取什么策略來優(yōu)化該設(shè)計(jì)的成本和可制造性呢?最初考慮的問題將是確定系統(tǒng)的首選結(jié)構(gòu)以及電池和有關(guān)電子組件的位置?；窘Y(jié)構(gòu)清楚以后，接下來必須考慮的一個(gè)問題是，電路拓?fù)涞臋?quán)衡協(xié)調(diào)問題，例如，怎樣優(yōu)化最終產(chǎn)品的通信和互連。

電池的外形尺寸將對(duì)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有重大影響。要使用大量小型電池以適合形狀復(fù)雜的電池模塊 (或電池組) 嗎?或者要使用外形尺寸很大的電池，因而由于重量問題而導(dǎo)致對(duì)電池?cái)?shù)量的限制或引起其他的尺寸限制?這也許是設(shè)計(jì)變數(shù)最大的部分，因?yàn)橥庑涡路f的電池不斷上市，而且人們也在不斷努力，務(wù)求電池模塊或電池組集成到產(chǎn)品中后，會(huì)與整個(gè)產(chǎn)品概念更加一致。例如，在汽車設(shè)計(jì)情況下，電池最終也許分散在車輛上的某些空間中，這些空間如果不放電池，利用效率很低。

另一個(gè)考慮因素是，電池 (或模塊化電池組)、電池管理系統(tǒng) (或其子系統(tǒng)) 以及最終應(yīng)用接口之間的測(cè)試信號(hào)和 / 或遙測(cè)信號(hào)的互連。在大多數(shù)情況下，可以做一個(gè)外殼，用來集成電池模塊或電池組中的某些數(shù)據(jù)采集電路，以便如果需要調(diào)換，那么生產(chǎn) ID、校準(zhǔn)、使用規(guī)格等重要信息能隨著可替換組件帶走。這類信息對(duì)電池管理系統(tǒng) (BMS)或維修設(shè)備可能有用，而且最大限度地減少了線束中所需的高壓額定值導(dǎo)線的數(shù)量。

接下來，就給定的機(jī)械概念設(shè)計(jì)而言，監(jiān)視硬件拓?fù)溆删_定義的、所需支持的電池?cái)?shù)量決定。在汽車應(yīng)用中，一般情況下總共會(huì)有 100 個(gè)以上的電池測(cè)量點(diǎn)，而且系統(tǒng)的模塊化將決定一個(gè)給定的電路系統(tǒng)測(cè)量多少個(gè)電池。最常見的情況是，以安全斷接“維修插頭”方式，將所有電池分成至少兩個(gè)子組。通過在故障情況下保持電壓低于 200V，這種方法最大限度地降低了維修人員可能遇到的觸電危險(xiǎn)。外形尺寸較大的電池組意味著，要采用兩套隔離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每套也許支持 50 個(gè)電池分接頭。在有些情況下，所有電子組件都在一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的印刷電路板上，但是這需要大量互連，如圖 1 (a)所示?；蛘撸娮咏M件也可以分散放置，更加緊密地集成在電池模塊中，但是這需要采用遙測(cè)鏈接方法。為了實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)完整性，內(nèi)置于汽車線束中的遠(yuǎn)端測(cè)量功能電路必須采用一種堅(jiān)固型協(xié)議，例如廣泛使用的 CAN 總線。盡管真正的 CAN 總線接口涉及幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)層，但是可以很方便地采用 PHY 層構(gòu)成 BMS LAN 結(jié)構(gòu)，以高效率地進(jìn)行模塊內(nèi)的通信。這類分布式結(jié)構(gòu)如圖 1 (b)所示。該拓?fù)湓试S在幾個(gè)小型處理器之間分配計(jì)算工作量，從而降低所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，并減輕 LAN 方法可能引起的 EMI 問題。最終的 BMS 應(yīng)用接口很可能是至一個(gè)主系統(tǒng)管理處理器的 CAN 總線接線，而且將需要定義 (或在一開始規(guī)定) 特定的信息事務(wù)處理。

其他因素也可能對(duì)物理結(jié)構(gòu)和監(jiān)視電路造成影響。就鋰離子電池而言，需要電池容量平衡，從而導(dǎo)致了額外的熱量管理問題(去除熱量)，而且如果需要有源平衡，還需要電源轉(zhuǎn)換電路。溫度探頭常常分布在整個(gè)模塊之上，以提供一種將電壓讀數(shù)與充電狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)常常忽視的考慮因素是，當(dāng)產(chǎn)品安裝之前閑置或儲(chǔ)存在貨架上時(shí)，電池的電量泄漏應(yīng)該是最低的。在有些情況下，額外的控制配線是必要的。

在上面實(shí)現(xiàn)的這些結(jié)構(gòu)中，都有一個(gè)常見的測(cè)量功能構(gòu)件，該構(gòu)件包括一個(gè)多通道 ADC、安全隔離勢(shì)壘和某種程度的本地處理能力。圖 2 電路顯示了一個(gè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的可擴(kuò)展設(shè)計(jì)平臺(tái)。在這個(gè)圖中，實(shí)現(xiàn)功能的核心組件是凌力爾特的 LTC6803 電池組監(jiān)視器 IC，同時(shí)顯示的還有一個(gè) SPI 數(shù)據(jù)隔離器和一些可選的特殊用途電路。該電路包括輸入濾波器和無源平衡功能，構(gòu)成了一個(gè)完整的 12 節(jié)電池?cái)?shù)據(jù)采集解決方案。如果需要，這類電路可以簡(jiǎn)單地復(fù)制，以支持更多電池測(cè)量方案，同時(shí)共享主微控制器的本地 SPI 端口，該主微控制器反過來再提供外部 CAN 總線或其他 LAN 型數(shù)據(jù)鏈路所需。

與前一代監(jiān)視器件相比，LTC6803 的主要改進(jìn)是，支持電源停機(jī)和/或單獨(dú)由電池組供電。當(dāng)電源從 V+ 引腳去掉時(shí)，電池加載將降至零(僅有 nA 級(jí)半導(dǎo)體泄漏)。工作電源可以由接通的電池組電壓提供，或從一個(gè)單獨(dú)的電源提供給 V+，只要電壓始終至少與電池組一樣高就行。為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單性，LTC6803 還可以直接從電池組獲取功率，在這種情況下，最低功率狀態(tài)(即備用) 將僅消耗 12uA 電流。LTM2883 數(shù)據(jù)隔離器通過一個(gè)內(nèi)部隔離的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，從主處理器供電，因此該器件將自動(dòng)與主處理器一起斷電。LTM2883 的一個(gè)非常有用的功能是，它還能向隔離的電子組件(即電池端) 提供很大和得自主機(jī)的功率。一個(gè)小型升壓電源功能組件 (圖 2 中的 LT3495-1) 就是這樣驅(qū)動(dòng)的，以獨(dú)立地給 LTC6803 供電，以便電池僅提供 ADC 測(cè)量輸入電流 (即在有效轉(zhuǎn)換時(shí)平均值 < 200nA)。該電路具有絕對(duì)最低的寄生電池泄漏，同時(shí)消除了任何電池的工作電流失配，否則這種失配可能逐步導(dǎo)致電池容量失衡。

LTC6803 的一個(gè)方便的功能是，有兩個(gè)自由的、準(zhǔn)確度與電池輸入類似的 ADC 輸入。這種方便的功能允許用很少的額外電路進(jìn)行輔助測(cè)量，包括溫度、校準(zhǔn)信號(hào)或負(fù)載電流測(cè)量。一種尤其有用的測(cè)量是，用一個(gè)門控電阻分壓器測(cè)量整個(gè)電池組的電壓，實(shí)現(xiàn)方法如圖 2 所示 (采用 12:1 的比例，連接到 VTEMP1 輸入)。當(dāng)電路斷電時(shí)，相關(guān)的 FET 斷開，這樣對(duì)電流的測(cè)量就不會(huì)不必要地加重電池的負(fù)擔(dān)。既然該端口的濾波可以獨(dú)立于電池輸入來定制，那么為了實(shí)現(xiàn)精確的充電電流計(jì)算所需的、真正高達(dá) 200sps 的奈奎斯特 (Nyquist)采樣率是可能的。可以利用對(duì)單個(gè)電池測(cè)量來周期性地對(duì)整個(gè)電池組的分壓器提供軟件校準(zhǔn)，這樣就不需要價(jià)格昂貴的電阻器了。輔助輸入的另一個(gè)非常有用的用法是，測(cè)量準(zhǔn)確度很高的校準(zhǔn)電源(諸如凌力爾特的 LT6655-3.3，一個(gè)準(zhǔn)確度為 0.025% 的基準(zhǔn))，在這種用法中，允許軟件憑借通道至通道的固有匹配，校正其他所有通道。請(qǐng)注意，熱敏電阻器的溫度探頭不必以電池的電位為基準(zhǔn)，這些探頭一般也不需要 12 位的分辨率。這類探頭通常適用于直接與微控制器連接，從而留出高性能 LTC6803 的輔助輸入，以實(shí)現(xiàn)要求更加苛刻的功能。

總之，在電池管理系統(tǒng)電路中需要考慮的因素有很多，特別是那些決定封裝限制的因素。當(dāng)封裝設(shè)計(jì)思想?yún)R聚在一起時(shí)，考慮一下也有可能產(chǎn)生機(jī)械影響的電子線路與信息流的結(jié)構(gòu)(例如：連接器化和導(dǎo)線數(shù)目) 同樣也是很重要。一旦權(quán)衡過這些因素而且封裝設(shè)計(jì)思想成熟之后，只需直接插入一款采用 LTC6803 平臺(tái)，一個(gè)聲名卓著、可擴(kuò)展和具成本效益的數(shù)據(jù)采集解決方案便大功告成了。