用電子組件提高電動(dòng)型汽車的電池性能

凌力爾特公司 信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品 設(shè)計(jì)經(jīng)理 Mike Kultgen

混合動(dòng)力電動(dòng)型汽車電池中的電子組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�令前端 IC 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(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(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)較適合電池測(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) 模塊來選擇。通過閉合“S”開關(guān)把電池電壓存儲(chǔ)在一個(gè)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(gè)與 VCELL 和 VREF 之比成比例的數(shù)字結(jié)果。

圖 2：典型模擬前端 (AFE) IC

如果開關(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)換還可能由于組件失配而引入誤差。其次，細(xì)致的設(shè)計(jì)與組件微調(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)酷的汽車環(huán)境中運(yùn)行，較佳技術(shù)是齊納基準(zhǔn)。數(shù)年來，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 組件應(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) 來表示 (假設(shè)采用的是一個(gè) 3.3V 電池)。

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。較后，還有長(zhǎng)期漂移。在 IC 封裝組裝過程中，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 是較佳技術(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)開發(fā)模塊化系統(tǒng)。16kW-hr 的電池也許不便于放入汽車內(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。線束將遭受嚴(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 合起來的成本大約為 3.5 歐元 (4.50 美元)。

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。

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 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)包通過電纜發(fā)送，CRC 用來查看是否有數(shù)據(jù)損壞。采用幾種不同的 isoSPI 數(shù)據(jù)脈沖強(qiáng)度來重復(fù)測(cè)試。20mA isoSPI 數(shù)據(jù)脈沖不受 200mA RF 注入的影響。

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，這是成本較低和較簡(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)，電池組的容量由較薄弱的一節(jié)電池決定。平衡電池組并充電至 80%。當(dāng)較薄弱的電池達(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較低容量的電池確保達(dá)到 20% 和 80% 狀態(tài)。為了較大限度地延長(zhǎng)電池組的運(yùn)行時(shí)間，在電池組的充電和放電過程中，都必須對(duì)電池加以平衡。 

LTC3300 和 LT8584 等的新 IC 將在汽車電池組中實(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)。

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)洌�一次較多可對(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�？蓪�(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 LTC6804 上的串行端口來控制。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 來監(jiān)視和平衡的方案。

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)電池抽取較多能量。sioSPI 等簡(jiǎn)單的隔離式兩線通信方案較大限度地降低了組件成本，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，并較大限度地提高電池容量。這些令人振奮的新 IC 是較先進(jìn)和面向新一代 (混合) 電動(dòng)型汽車電池組的產(chǎn)品。

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