凌力爾特工程師電池管理經驗之分享
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就混合動力汽車(HEV)和電動汽車(EV)而言，使用鋰離子電池，可在功率、能量密度、效率和環境影響之間取得最佳平衡。但同時，鋰離子電池也是易損壞和危險的，而汽車環境又相當棘手、難以應付。混合動力汽車和電動汽車的電子產品面臨的挑戰是，彌補要求苛刻的汽車環境和電池敏感性之間的差距。汽車環境的苛刻和電池的敏感堪稱地獄中的絕配。
考慮到汽車對能量、功率和環境的要求，安全、可靠地使用大型鋰離子電池組絕對不是一個簡單的任務。鋰離子電池以滿充電狀態或滿放電狀態工作時，容量會降低。考慮到循環往復的充電、組與組之間的差別和不同的環境條件，每節電池的容量都會隨著時間推移而降低并產生偏離。因此，電池組要實現15年、5000個充電周期的目標，每節電池都必須保持在有限的工作范圍內工作。通過控制每節鋰離子電池的充電狀態(SOC)，可以最大限度地提高電池組的容量，同時最大限度地減輕容量的降低。確保高效率、安全地使用汽車電池組，是電池管理系統(BMS)的責任。
電池管理系統的任務是，仔細跟蹤和控制每節電池的充電狀態1。電池管理系統的測量準確度至關重要，因為它決定了每節電池能多么靠近其可靠充電狀態范圍的邊緣工作。最大限度地提高可用容量的能力決定了所需的電池數量，而電池數量對成本和重量有很大的影響。準確地測量每節電池的電壓相當困難，因為電池組中的電池易受高共模電壓和高頻噪聲的影響。為了理解這一點，我們想想以下事實：電動汽車/混合動力汽車的電池組通常電壓非常高，由100至200個串聯連接的電池組成。這類電池組必須提供可能超過 200A的快速充電和放電電流，在電池組的頂端，電壓瞬態有可能超過100V。
對成本和可靠性的關注導致汽車電子產品向集成度更高、組件數更少的方向發展。在高度復雜的電池管理系統中，這種趨勢尤其明顯，在這類系統中，我們看到，諸如凌力爾特LTC6802這類電池監視IC已經出現。在新式電池管理系統中，這類高度集成的器件是關鍵的數據采集組件，與之前的分立式解決方案相比，這類器件降低了成本、減少了所需占用的空間和組件數。電池監視器的主要功能是，直接測量串聯連接電池的電壓，典型情況下每個IC監視12個通道。這類IC中還包括電池容量平衡控制和額外的測量輸入 (如用于溫度的輸入)。為了應對高壓電池組，這類器件一般設計為通過菊花鏈式串行接口相互通信。在電池管理系統中，有一個組成部分一般不可能成功集成到電池監視IC中，那就是嵌入式軟件。充電狀態算法是受到嚴密保護的技術，是特定于化學組成、尺寸、外形、工作條件和應用的。就新式高壓、大功率電池組而言，現成有售的算法不可能有用，嵌入式軟件使故障機制影響分析 (FMEA) 變得復雜了，在使用嵌入式軟件的情況下，系統設計師無法進行直接控制。圖1說明了由任意節電池組成的電池模塊的基本配置，其中電池組管理系統的算法是軟件編碼的，并由開發商獨家控制。
圖1：由很多節電池組成的電動汽車/混合動力汽車電池模塊的基本拓撲
電池監視IC的一個關鍵考慮因素是，怎樣處理將遇到的汽車噪聲。例如，很多電池監視器使用快速SAR轉換器實現電池的數字化，在超過100個通道的數據采集系統中，這似乎是有利的。然而，汽車環境是有噪聲的，需要進行大量的濾波，而且這種濾波決定有效吞吐量，而不是采樣率。由于這個原因，增量累加(DS)ADC比SAR轉換器有優勢。就給定的10kHz 噪聲抑制量而言，每秒1000次采樣的DS ADC提供的吞吐量與每秒100萬次采樣的SAR ADC提供的吞吐量相同。例如，LTC6802采用一個每秒1000次采樣的DS ADC，該ADC在10ms時間內可順序對10個輸入通道采樣。內置的線性相位數字濾波器對10kHz開關噪聲提供36dB的抑制。要在10kHz時獲得相同的噪聲抑制，每秒100萬次采樣的SAR轉換器在每節電池上都需要一個轉角頻率為160Hz的單極性RC濾波器 (參見圖2)。RC濾波器的12位穩定時間為8.4ms，即使SAR ADC能在10μs時間內順序對10個通道采樣，由于濾波器的響應，每8.4 ms超過1 次的掃描也是沒有意義的。
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