大幅提高電動汽車電池性能的電池監(jiān)控器

大幅提高電動汽車電池性能的電池監(jiān)控器

鋰離子（Li-Ion）電池是電動汽車常用的儲能方法，這些電池可提供的能量密度在所有現(xiàn)有電池技術(shù)中是非常高的，但是如果要最大限度地提升性能，必須使用電池監(jiān)控系統(tǒng)（BMS），以更安全的方式管理充電和放電循環(huán)，從而延長使用壽命。本文將為您介紹BMS的架構(gòu)與運(yùn)作模式，以及由ADI公司所推出的BMS器件的產(chǎn)品特性與優(yōu)勢。

BMS可提升電動汽車電池的運(yùn)作效率

先進(jìn)的BMS可協(xié)助電動汽車在運(yùn)作時(shí)能夠從電池組中提取大量的電荷，并能精確測量電池的充電狀態(tài)（SOC），以延長電池運(yùn)行時(shí)間或減輕重量，并提升電池的安全性，避免出現(xiàn)深度放電、過度充電、過電流和熱過應(yīng)力等形式的電氣過載。

BMS的主要功能是通過監(jiān)控電池運(yùn)作時(shí)的物理量，使電池組中所有單節(jié)電池保持在其安全工作區(qū)域（SOA）中，監(jiān)測電池組充電和放電電流、單節(jié)電池電壓以及電池組溫度?；谶@些數(shù)值，不僅可以使電池安全運(yùn)行，而且可以進(jìn)行SOC和健康狀態(tài)（SOH）計(jì)算。

BMS提供的另一個(gè)重要功能是電池平衡。在電池組中，可以將單節(jié)電池并聯(lián)或串聯(lián)放置，以達(dá)到所需的容量和工作電壓（高達(dá)1 kV或更高）。電池制造商試圖為電池組提供相同的電池，但這在物理上并不現(xiàn)實(shí)。即使很小的差異也會導(dǎo)致不同的充電或放電電平，而電池組中最弱的電池會嚴(yán)重影響到電池組的總體性能。精確的電池平衡是BMS的一項(xiàng)重要功能，它可確保電池系統(tǒng)以其最大容量安全運(yùn)行。

無線BMS消除通信布線降低復(fù)雜度

電動汽車電池由幾節(jié)電池串聯(lián)組成，一個(gè)典型的電池組（具有96節(jié)串聯(lián)電池）以4.2 V充電時(shí)會產(chǎn)生超過400 V的總電壓。電池組中的電池節(jié)數(shù)越多，所達(dá)到的電壓就越高。所有電池的充電和放電電流都相同，但是必須對每節(jié)電池上的電壓進(jìn)行監(jiān)控。

為了容納高功率汽車系統(tǒng)所需的大量電池，通常將多節(jié)電池分成幾個(gè)模塊，并分置于車輛的整個(gè)可用空間內(nèi)。典型模塊擁有10到24節(jié)電池，可以采用不同配置進(jìn)行裝配以適合多個(gè)車輛平臺。模塊化設(shè)計(jì)可作為大型電池組的基礎(chǔ)，它允許將電池組分置于更大的區(qū)域，從而更有效地利用空間。

為了在電動汽車／混合動力汽車的高EMI環(huán)境中支持分布式模塊化拓?fù)?，穩(wěn)健的通信系統(tǒng)必不可少。隔離CAN總線適合在這種環(huán)境中進(jìn)行模塊互聯(lián)，盡管CAN總線為在汽車應(yīng)用中互聯(lián)電池模塊提供了完善的網(wǎng)絡(luò)，但它需要許多附加組件，這些額外組件會增加成本和電路板空間。此外，現(xiàn)代BMS若采用有線連接，將會具有明顯的缺點(diǎn)，因?yàn)樵诓季€中，導(dǎo)線走線至不同的模塊會成為一個(gè)棘手的問題，同時(shí)又增加了重量和復(fù)雜性。導(dǎo)線也很容易生成噪聲，從而需要進(jìn)行額外的濾波。

無線BMS是一種新穎的架構(gòu)，它消除了通信布線。在無線BMS中，每個(gè)模塊的互聯(lián)都通過無線連接方式實(shí)現(xiàn)。大型多節(jié)電池的電池組采用無線連接，其連線復(fù)雜度更低、重量更輕、成本更低，且安全性和可靠性更高，但由于惡劣的EMI環(huán)境，以及RF屏蔽金屬構(gòu)成的信號傳播障礙，成為無線通信的一個(gè)難題。

嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)可改善可靠性與精確度

ADI推出的SmartMesh嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中經(jīng)過了現(xiàn)場驗(yàn)證，可通過運(yùn)用路徑和頻率分散來實(shí)現(xiàn)冗余，從而在工業(yè)、汽車和其他惡劣環(huán)境中提供可靠性超過99.999%的連接。

除了通過創(chuàng)建多個(gè)冗余連接點(diǎn)來改善可靠性之外，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)還擴(kuò)展了BMS的功能。SmartMesh無線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)電池模塊的靈活放置，并改善了電池SOC和SOH的計(jì)算。這是因?yàn)榭梢詮陌惭b在以前不適合布線之處的傳感器收集更多的數(shù)據(jù)。SmartMesh還提供了來自每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間相關(guān)測量結(jié)果，從而可以實(shí)現(xiàn)更加精確的數(shù)據(jù)收集。

ADI并將LTC6811電池組監(jiān)控器和ADI SmartMesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加以集成，這是一項(xiàng)重大突破，有望提高電動汽車／混合動力汽車大型多節(jié)電池組的可靠性，并降低成本、重量和布線復(fù)雜性。

LTC6811是一款多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器，可測量多達(dá)12個(gè)串接電池的電壓，并具有小于1.2mV的總測量誤差，所有12節(jié)電池可在290μs內(nèi)完成測量，并可選擇較低的數(shù)據(jù)采集速率以實(shí)現(xiàn)高的噪聲抑制。LTC6811具有0 V至5 V的電池測量范圍，適合大多數(shù)電池化學(xué)應(yīng)用，并可將多個(gè)器件串聯(lián)，以便同時(shí)監(jiān)測很長的高壓電池組。該器件包括每節(jié)電池的被動平衡，數(shù)據(jù)在隔離柵兩邊進(jìn)行交換并由系統(tǒng)控制器編譯，該控制器負(fù)責(zé)計(jì)算SOC、控制電池平衡、檢查SOH，并使整個(gè)系統(tǒng)保持在安全限制內(nèi)。

此外，還可以把多個(gè)LTC6811器件串接起來，因而能在長的高電壓電池串中實(shí)現(xiàn)電池的同時(shí)監(jiān)視。每個(gè)LTC6811具有一個(gè)isoSPI接口，用于實(shí)現(xiàn)高速、抗RF干擾的遠(yuǎn)程通信。使用LTC6811-1時(shí)，多個(gè)器件采用菊鏈?zhǔn)竭B接，且所有器件采用一根主處理器接線。在使用LTC6811-2時(shí)，則多個(gè)器件并聯(lián)連接至主處理器，對每個(gè)器件進(jìn)行個(gè)別尋址。

LTC6811可直接采用電池組或一個(gè)隔離式電源供電，并擁有針對每節(jié)電池的電荷被動平衡，以及用于每節(jié)電池的個(gè)別PWM占空比控制功能。其他特點(diǎn)包括一個(gè)內(nèi)置的5V穩(wěn)壓器、5根通用型I/O線和一種睡眠模式（在該模式中電流消耗減小至4μA）。

電池平衡以優(yōu)化電池容量與性能

電池平衡對于電池的性能有重大的影響，因?yàn)榧词鼓芫_地制造和選擇電池，它們之間也會顯示出細(xì)微的差異。電池之間任何的容量不匹配都會導(dǎo)致電池組整體容量的減少。顯然地，電池組中最弱的電池將支配著整個(gè)電池組的性能。電池平衡是一種通過在電池充滿電時(shí)均衡電池之間的電壓和SOC，來幫助克服此問題的技術(shù)。

電池平衡技術(shù)可分成被動和主動兩種，使用被動平衡時(shí)，如果一節(jié)電池過度充電，就會將多余的電荷耗散到電阻中。通常，采用一個(gè)分流電路，該電路由電阻和用作開關(guān)的功率MOSFET組成。當(dāng)電池過度充電時(shí)，MOSFET關(guān)斷，將多余的能量耗散到電阻中。LTC6811使用一個(gè)內(nèi)置MOSFET來控制各節(jié)電池的充電電流，從而平衡被監(jiān)視的每節(jié)電池。內(nèi)置MOSFET可使設(shè)計(jì)緊湊，并能夠滿足60 mA的電流要求。對于更高的充電電流，可以使用外部MOSFET。該器件還提供了定時(shí)器來調(diào)整平衡時(shí)間。

另一方面，采用主動平衡則會在模塊的其他電池之間重新分配多余的能量。這樣，可以回收能量并且產(chǎn)生的熱量更低，但這種技術(shù)的缺點(diǎn)是硬件設(shè)計(jì)更復(fù)雜。

ADI推出采用LT8584的架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)電池的主動平衡，該架構(gòu)通過主動分流充電電流，并將能量返回電池組來解決被動分流平衡器存在的問題。能量并沒有以熱量的形式發(fā)生損耗，而是被重新利用，為電池組中的其余電池充電。該器件的架構(gòu)還解決了一個(gè)問題，即當(dāng)電池組中的一節(jié)或多節(jié)電池在整個(gè)電池組容量用盡之前就達(dá)到較低安全電壓閾值時(shí)，會造成運(yùn)行時(shí)間減少。只有主動平衡才能將電荷從強(qiáng)電池重新分配到弱電池。這樣可以使弱電池繼續(xù)為負(fù)載供電，從而可從電池組中提取更高百分比的能量。反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許電荷在電池組內(nèi)任意兩點(diǎn)之間往返。大多數(shù)應(yīng)用將電荷返回到電池模塊（12節(jié)或更多），其他一些應(yīng)用則將電荷返回到整個(gè)電池組，還有些應(yīng)用將電荷返回到輔助電源軌。

LT8584是一款單片式反激DC/DC轉(zhuǎn)換器，專為高電壓電池組的主動平衡而設(shè)計(jì)。開關(guān)穩(wěn)壓器的高效率顯著地增加了可實(shí)現(xiàn)的平衡電流，同時(shí)減少了發(fā)熱量。另外，主動平衡還可實(shí)現(xiàn)不平衡電池組中的容量恢復(fù)，這是采用被動平衡系統(tǒng)無法獲得的特性。在典型系統(tǒng)中，可獲得超過99%的總電池容量。

LT8584包括一個(gè)集成型6A、50V電源開關(guān)，因而降低了應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。該器件完全依靠其所放電的電池來運(yùn)行，從而不必增設(shè)采用外部電源供電時(shí)通常所需的復(fù)雜偏置電路。該器件的使能引腳（DIN）設(shè)計(jì)用于和LTC680x系列電池組電壓監(jiān)視IC無縫地協(xié)調(diào)運(yùn)作。此外，當(dāng)與LTC680x系列器件配合使用時(shí)，LT8584還可提供包括電流和溫度監(jiān)視的系統(tǒng)遙測功能。當(dāng)LT8584停用時(shí)，其通常從電池消耗小于20nA的總靜態(tài)電流。

結(jié)語

低排放車輛的關(guān)鍵是電氣化，但還需要對能源（鋰離子電池）進(jìn)行智能管理，如果管理不當(dāng)，電池組可能會變得不可靠，從而大大降低汽車的安全性。主動和被動電池平衡可實(shí)現(xiàn)安全高效的電池管理，分布式電池模塊易于支持，并且可將數(shù)據(jù)穩(wěn)定地傳遞到BMS控制器（無論是采用有線方式還是無線方式），能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的SOC和SOH計(jì)算。ADI提供種類齊全的BMS器件組合，將可協(xié)助客戶加速開發(fā)BMS，更有效率地管理電動汽車電池的運(yùn)作效率與安全性。

審核編輯：劉清