混合動力電動汽車的電池管理架構分析

凌力爾特公司(Linear)已經推出一款使電池系統設計工程師能夠滿足這些苛刻要求的器件。LTC6802是一個電池組監視器IC，能測量多達12個疊置電池的電壓。LTC6802還有內部開關，使電池可以單獨放電，以便它們能與電池組中的其它電池進入平衡狀態。

為說明電池組架構，考慮一個具有96個鋰離子電池的系統。這將需要8個LTC6802來監視整個電池組，其中每個器件工作在不同的電壓。當采用4.2V鋰離子電池時，底端監視器件將跨接在12個電池上,電位調節范圍為0~50.4V，下一組電池的電壓范圍為50.4V到100.8V，順著電池組依此類推。這些器件之間在不同的電壓上進行通信帶來了難以克服的挑戰。人們已經考慮過多種方法，但由于汽車制造商優先考慮的重點不同，每種方法都有優點和缺點。

表：電池監視架構比較。

電池監視要求

在電池監視系統架構之間作抉擇時，至少有5個需要平衡的主要要求。它們的相對重要性取決于最終客戶的需求和期望。
1. 準確性。為了利用可能的最大電池容量，電池監視器需要準確。不過，汽車是一種噪聲系統，在很大的頻率范圍內存在電磁干擾。任何的準確性降低都會對電池組壽命和性能造成有害影響。
2. 可靠性。不管采用何種電源，汽車制造商必須滿足極高的可靠性標準。此外，高能量容量以及有些電池技術潛在的不穩定本性是人們擔心的主要安全問題。相對于嚴重的電池故障，在保守性條件下執行關斷操作的故障安全系統更加可取，盡管它有可能使乘客不幸滯留。因此，必須仔細監視和控制電池系統，以在系統中確保對整個電池壽命期的全面控制。為最大限度減少假的和真的故障，一個良好設計的電池組系統必須有魯棒的通信，最大限度減少故障模式以及故障檢測。
3. 可制造性。現代的汽車已包含大量采用復雜布線線束的電子產品。就汽車制造而言，增加復雜的電子電路和配線以支持電動汽車/混合動力電動汽車電池系統會使復雜性更高。總的組件和連接數量必須盡量地少以滿足嚴格的尺寸和重量限制，并確保大批量生產是切實可行的。
4. 成本。復雜的電子控制系統可能很昂貴，最大限度減少如微控制器、接口控制器、電流隔離器和晶振等成本相對高昂的元件數量可大大降低系統的總成本。
5. 功率。電池監視器本身也是電池的負載，其較低的工作電流可提高系統效率，較低的備用電流可在汽車熄火后防止電池過度放電。

電池監視架構

圖1至圖4給出了4種電池監視系統架構。假設一個由96個電池組成的系統以12個電池為一組分成8組，表中對這種情況下的每種架構的優點和缺點進行了總結。在每種情況下，一個LTC6802監視一個由12個電池組成的電池組。每種架構都設計為一個自主的電池監視系統，都提供到汽車主CAN總線的CAN總線接口，且與汽車的其余部分是電流隔離的。

1．并行獨立CAN模塊(如圖1)

每個由12個電池組成的模塊都含有一個電路板，板上有LTC6802、微控制器、CAN接口和電流隔離變壓器。系統所需的大量電池監視數據會使汽車的主CAN總線崩潰，因此這些CAN模塊需要在局域CAN子網上。CAN子網由主控制器協調，該控制器還提供至汽車主CAN總線的網關。

2．具CAN網關的并行模塊(如圖2)

每個由12個電池組成的模塊都含有一個電路板，板上有LTC6802和數字隔離器。這些模塊與控制器電路板有獨立的接口連接，控制器電路板上含有微控制器、CAN接口和電流隔離變壓器。微控制器協調這些模塊并提供到汽車主CAN總線的網關。

3．具CAN網關的單個監視模塊(圖3)

在這種配置中，由12個電池組成的模塊內部沒有監視和控制電路，而是在單個電路板上有8個LTC6802監視器IC，每個IC都連接到其電池模塊。LTC6802器件通過非隔離SPI兼容串行接口通信。單個微控制器通過SPI兼容串行接口控制全部電池組監視器，并充當到汽車主CAN總線的網關。這些再加上CAN收發器和電流隔離變壓器就形成了完整的電池監視系統。