高壓鋰離子電池組管理——安全供電的保證

　　為了給多單元鋰離子電池組充電或放電，設計一般使用恒流或恒壓方法，此時充電系統將使用一對MOSFET在達到想要的充電電壓時降低充電電流，或在放電操作中增加電流。L9763提供充電泵驅動功率MOSFET器件。L9763會將所監視的鋰離子電池的測量數據通過SPI接口傳送給飛思卡爾的S9S08DZ32 MCU。L9763還向MCU提供5V LDO輸出。針對總的電池管理功能，各個L9763器件是通過片上接口鏈接的，并由主控制單元通過垂直菊花鏈通信進行單獨尋址。

　　檢測電路MCU

　　如上所述，鋰離子電池的SOC估計是一項復雜的任務，需要足夠強大的處理能力。在這個設計中，每個檢測子系統都有一個L9763 ASIC和一個飛思卡爾的S9S08DZ32 40-MHz HCS08 MCU，該MCU集成有32kB閃存、2kB RAM和1kB E2PROM。外部4MHz振蕩器為MCU時鐘工作提供參考頻率。

　　在通用汽車-LG Chem設計中，MCU需要執行根據L9763提供的電壓和電流測量數據估計SOC所需的運算。雖然SOC算法是專有算法，但硬件配置和維護程序建議這些估計算法能將使用存儲的電池表征數據進行的電壓驅動估計與在充電過程中用于臨時重新校準的更直接電量測量結合起來。由IBM描述的詳細系統建模環境的使用提供了一個理想的平臺，有助于為優化SOC計算找到合適的數據集，也有助于在廣泛采樣的工作條件下對方法進行驗證確認。

　　HCS08的安全功能，比如計算機工作正常看門狗定時器，有助于確保可靠的工作，并在發生不可恢復的應用軟件故障時自動產生復位信號。在這種應用中特別重要的是，S9S08DZ32內部有個復雜的片上CAN控制器，當不在使用時可以有選擇性地斷電或進入休眠模式(圖6)。為了幫助確保可預測的實時性能，片上控制器集成了5個接收緩存并組成了一個FIFO緩沖器，還有3個發送緩存，允許區分輸出消息的優先次序。

?

　　圖6：片載CAN控制器是選用飛思卡爾S9S08DZ32 MCU搭建電池接口控制模塊檢測子系統的關鍵因素。(飛兆半導體提供)

　　信號隔離

　　在雪佛蘭Volt的系統之系統中，通信與控制是汽車工作的基礎，而Volt提供了多個網絡用于隔離和保護各個子系統。上述復雜算法需要管理各個鋰離子電池組，并監視特定電池接口控制模塊上的每個檢測子系統內的電池組。然而，最終總體電池管理需要的關鍵數據包含在CAN總線信號接口和高壓故障信號中。與此同時，系統安全性和可靠性取決于CAN總線網絡與高壓檢測電路的安全隔離度。雖然隔離可以用各種方法和元件實現，但惡劣環境和多種安全法規使得光耦成為這類應用的首選解決方案。

　　下一代系統

　　雪佛蘭Volt當然是在商用化市場中投入生產的最復雜分布式嵌入式系統應用之一，它的設計在多個領域處于領先水平。在影響Volt成功和電動汽車市場普及的最重要系統中，汽車的鋰離子電池和相關的電池管理系統表明了汽車應用中軟件和電路重要性的提高。根據最近發布的McKinsey市場調查報告，到2025年，新興鋰離子技術完全可以把電池容量提高80%至110%，價格則隨之下降，從而使電動汽車的總體擁有成本能夠與內燃機驅動的傳統汽車相抗爭。對工程師來說，挑戰仍然表現為在面對更高的直流電壓、電池容量、數據速率和消費者期望值的情況下如何發掘新興鋰離子電池系統的全部潛能。