利用電子組件提高混合動力電動型汽車電池的性能和安全性

混合動力電動型汽車電池中的電子組件是提高性能和安全性的關鍵。在集成電路設計領域的新技術使電池組設計師能進一步提高鋰離子電池的性能。更高的測量準確度、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，并向控制電路傳遞數(shù)據(jù)。控制器運用電池數(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?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

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：隔離勢壘

AFE IC：模擬前端 （AFE） IC

MEASURE & BALANCE：測量與平衡

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

更高的準確度意味著更低的成本

模擬前端 IC的測量準確度對系統(tǒng)成本有直接影響。需要準確的測量以實現(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 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 算法的關鍵要素。當測量 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 技術能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標。

真實世界中的準確度

什么樣的 IC 技術最適合電池測量呢？ 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用器 （MUX） 模塊來選擇。通過閉合“S”開關把電池電壓存儲在一個電容器上。斷開“S”開關，然后閉合“T”開關。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進行比較，并產(chǎn)生一個與 VCELL 和 VREF 之比成比例的數(shù)字結果。

圖 2：典型模擬前端 （AFE） IC

DATA I/O：數(shù)據(jù) I/O

VOLTAGE REFERENCE：電壓基準

如果開關的阻抗太大，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。細致的開關電容器設計可消除這個誤差項。

由 ADC 進行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換還可能由于組件失配而引入誤差。其次，細致的設計與組件微調(diào)相結合，可降低 ADC 引起的誤差。

AFE IC 的基本限制來自電壓基準

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

要在嚴酷的汽車環(huán)境中運行，最佳技術是齊納基準。數(shù)年來，凌力爾特新的 LTC6804 AFE 電池組監(jiān)視器 IC 運用齊納電壓基準技術，以保持優(yōu)于所需的準確度。LTC6804 比前一代產(chǎn)品有了顯著改進，前一代產(chǎn)品依靠帶隙電壓基準。例如，考慮 PCB 組裝所產(chǎn)生的應力。AFE IC 在焊接過程中會遭受幾種熱沖擊。在塑料封裝和銅引線框架的膨脹和收縮過程中，芯片會經(jīng)受機械應力。帶隙基準的表現(xiàn)就像一個應變計，將機械應力轉(zhuǎn)換成基準電壓的變化。電壓基準的任何變化都會直接降低電池測量的準確度。PCB 組件應力的影響示于圖 3，在熱沖擊之前和之后對 10 個 AFE IC （3 種類型） 進行了測量。基準漂移以電池測量誤差 （單位是 mV） 來表示 （假設采用的是一個 3.3V 電池）。

mV of additional measurement error due to PCB assembly

由于 PCB 組裝而產(chǎn)生的額外測量誤差 （單位 mV）

Number of units out of 10： 從10 個單元的數(shù)量

Competitor ： 競爭對手的器件

Hours in the tes chamber with， then without a cup of water

在有、然后是沒有一杯水的測量室中的時間 （小時）

mV of additiaonl measurement error due to humidity

由于濕度而產(chǎn)生的額外測量誤差 （單位 mV）

Competitor ： 競爭對手的器件

Years of Operation ： 工作年限

mV of additional measurement error due to long term reference drift

由于長期基準漂移而產(chǎn)生的額外測量誤差 （單位 mV）

LTC6802 Worst Case Measured bandgap Drift

LTC6802 在最差情況下測得的帶隙漂移

LTC6804 Worst Case Measured Zener Drift （data from LT1021）

LTC6804 在最差情況下測得的齊納漂移 （數(shù)據(jù)來自 LT1021）

Years of Operation ： 工作年限

mV of additional measurement error due to long term reference drift

由于長期基準漂移而產(chǎn)生的額外測量誤差 （單位 mV）

Estimated mV Error = X * 3.3. / （SQRT

估計的 mV 誤差 = X * 3.3/ ［√ （小時/1000）］ / 1000

（LTC6802 和其他基于帶隙的 AFE IC）

圖 3：生產(chǎn)之后的測量誤差。由于真實世界因素 （a） PCB 組裝應力、 （b） 濕度變化、 （c） 所測得的基準漂移和 （d） 估計的長期基準漂移而產(chǎn)生的 3.3V 電池測量誤差。

濕度是另一個考慮因素。潮氣滲進塑料封裝，并改變機械應力。對應力敏感的基準會出現(xiàn)電壓變化。最后，還有長期漂移。在 IC 封裝組裝過程中，芯片會受到應力。這種應力隨著時間推移而緩慢釋放，導致基準產(chǎn)生變化。在運行數(shù)千小時以后，這種影響會減小，這就是長期漂移規(guī)定以 ppm/√kHr 為單位的原因。圖 3 顯示了 3000 小時以后所測得的漂移以及預計 15 年以后的漂移。

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

新的隔離式數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)模塊化電池組

電池組設計師受到激勵開發(fā)模塊化系統(tǒng)。16kW-hr 的電池也許不便于放入汽車內(nèi)的單個艙中。此外，為了經(jīng)濟的適用性和保修，8，000 歐元 （10，235 美元） 的電池組可以分成小的模塊。而且，單個模塊化電池組設計可以擴大或縮小，以滿足很多不同汽車平臺的需求。

倘若把一個大型電池組拆分成若干個較小的模塊，則會使電氣連接的設計變得復雜化。在電池模塊和控制電路之間傳輸數(shù)據(jù)需要一個線束。線束將遭受嚴重的電磁干擾 （EMI）。必須仔細注意數(shù)據(jù)通信硬件和軟件。AFE IC 領域的新發(fā)明可以極大地降低數(shù)據(jù)通信的成本，同時保護電池組免受 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 用兩條導線提供堅固的通信。一個小型微處理器 （MPU） 將數(shù)據(jù)從 CAN 協(xié)議轉(zhuǎn)換到 AFE IC 更簡單的 SPI 或 I2C 協(xié)議。模塊之間的隔離由一個數(shù)字隔離器 IC 提供，這有時需要一個隔離式電源。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：運用 CAN 的隔離式數(shù)據(jù)通信

CONTROL MODULE：控制模塊

BATTERY MODULE：電池模塊

12 CELLS：12 節(jié)電池

新的 LTC6804 AFE IC 消除了 CAN 的成本和軟件復雜性問題，同時在模塊之間提供堅固和隔離式兩線數(shù)據(jù)傳送。圖 5 顯示，用 LTC6804 的 isoSPI 端口與一個簡單的脈沖變壓器相結合，實現(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。來自微處理器的時鐘、數(shù)據(jù)和芯片選擇信號由 LTC6820 編碼成不同的脈沖。LTC6804 將這些脈沖解碼回時鐘、數(shù)據(jù)和芯片選擇信號。微處理器將 LTC6804 AFE IC 看作一個簡單的 SPI 外圍設備。透明的 isoSPI 總線提供電流隔離和抵抗 EMI 的能力。

圖 5：運用 isoSPI 實現(xiàn)的隔離式數(shù)據(jù)通信

CONTROL MODULE：控制模塊

BATTERY MODULE：電池模塊

12 CELLS：12 節(jié)電池

isoSPI 脈沖的信號強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 （CRC），以確保數(shù)據(jù)的完整性。圖 6 說明了大電流注入 （BCI） 測試的結果。BCI 測量一個系統(tǒng)的抗電磁干擾性。RF 能量通過夾在電纜的探頭注入。另一個探頭測量所產(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)脈沖強度來重復測試。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 干擾時的數(shù)據(jù)誤差

20mA isoSPI strength， no errors ： 20mA isoSPI 強度，無誤差

10mA isoSPI strength ： 10mA isoSPI 強度

2mA isoSPO strength ： 2mA isoSPI 強度

圖 6：isoSPI 抗 RF 干擾能力

主動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%，這時給電池組加上充電電流，那么這節(jié)電池就會達到 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%。被動平衡通過一個負載電阻器消耗單節(jié)電池的電量，對于在串聯(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單的方式。大多數(shù) AFE IC 都支持被動平衡。

被動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 40A-hr 的電池消耗 10% 的電量，在 I = 400mA 時需要 10 個小時，或者在 I = 2A 時產(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，被動平衡器產(chǎn)生的熱量是不可接受的，而高效率、大電流主動電荷平衡器是惟一可行的解決方案。

主動電荷平衡不僅能以更低的熱量加速充電，而且有助于恢復容量。電池隨著老化容量會下降。由于電池組的溫度變化率和電池制造差異，隨著時間推移，電池會有不同程度的老化。電池甚至有可能在維修時被替換。在采用被動平衡方式時，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%。當最薄弱的電池達到 20% 時，電池組的放電就停止了。正確設計的主動電荷平衡系統(tǒng)將按照需要，高效率地在整個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到 20% 和 80% 狀態(tài)。為了最大限度地延長電池組的運行時間，在電池組的充電和放電過程中，都必須對電池加以平衡。

LTC3300 和 LT8584 等的新 IC 將在汽車電池組中實現(xiàn)主動電荷平衡。LTC3300 （圖 7） 為滿足大型電池系統(tǒng)的雙向主動平衡需求而設計。

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

CHARGE SUPPLY：供應電荷

CHARGE RETURN：電荷返回

NEXT CELL ABOVE：上節(jié)電池

NEXT CELL BELOW：下節(jié)電池

這采用了一種非隔離型同步反激式拓撲，一次最多可對 12 個或更多鄰接電池中的 6 個電池進行電荷平衡。平衡電流可能高達 10A。通過將每個反激式變壓器的副端交錯連接，電荷可從一個由 12 節(jié)電池組成的模塊傳送至一個模塊?？蓪崿F(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，可以實現(xiàn)非常高的容量恢復 （》 80%）。LT3300 可以通過 LTC6804 上的串行端口來控制。這兩個 IC 建立了準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)換器用單向拓撲實現(xiàn)了主動平衡。這種單向方式有一個優(yōu)勢，即從一個給定電池向整個電池組重新分配電荷，從而提供高效率電池放電。這種拓撲可能僅在放電方向移動電荷，因此對給定電池的“充電”會比雙向方式的效率低。集成的 6A 電源開關支持 2.5A 平均平衡電流。LT8584 還可以測量平衡電流、芯片溫度和電纜電阻。LT8584 直接連接到 LTC6804 AFE IC，實現(xiàn)了又一個易于使用兩個 IC 來監(jiān)視和平衡的方案。

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

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：實現(xiàn)平衡

BATTERY STACK MONITOR：電池組監(jiān)視器

新的 IC 提高性能并降低成本

LTC6804 等測量 IC 提供有保證的測量準確度和長期穩(wěn)定性，因此電池組可從每節(jié)電池抽取最多能量。sioSPI 等簡單的隔離式兩線通信方案最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 是最先進和面向新一代 （混合） 電動型汽車電池組的產(chǎn)品。

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