引言
就混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)和電動(dòng)汽車(chē)(EV)而言，使用鋰離子電池，可在功率、能量密度、效率和環(huán)境影響之間取得最佳平衡。但同時(shí)，鋰離子電池也是易損壞和危險(xiǎn)的，而汽車(chē)環(huán)境又相當(dāng)棘手、難以應(yīng)付?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的電子產(chǎn)品面臨的挑戰(zhàn)是，彌補(bǔ)要求苛刻的汽車(chē)環(huán)境和電池敏感性之間的差距。汽車(chē)環(huán)境的苛刻和電池的敏感堪稱地獄中的絕配。
考慮到汽車(chē)對(duì)能量、功率和環(huán)境的要求，安全、可靠地使用大型鋰離子電池組絕對(duì)不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。鋰離子電池以滿充電狀態(tài)或滿放電狀態(tài)工作時(shí)，容量會(huì)降低?？紤]到循環(huán)往復(fù)的充電、組與組之間的差別和不同的環(huán)境條件，每節(jié)電池的容量都會(huì)隨著時(shí)間推移而降低并產(chǎn)生偏離。因此，電池組要實(shí)現(xiàn)15年、5000個(gè)充電周期的目標(biāo)，每節(jié)電池都必須保持在有限的工作范圍內(nèi)工作。通過(guò)控制每節(jié)鋰離子電池的充電狀態(tài)(SOC)，可以最大限度地提高電池組的容量，同時(shí)最大限度地減輕容量的降低。確保高效率、安全地使用汽車(chē)電池組，是電池管理系統(tǒng)(BMS)的責(zé)任。
電池管理系統(tǒng)的任務(wù)是，仔細(xì)跟蹤和控制每節(jié)電池的充電狀態(tài)1。電池管理系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了每節(jié)電池能多么靠近其可靠充電狀態(tài)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?cái)?shù)量，而電池?cái)?shù)量對(duì)成本和重量有很大的影響。準(zhǔn)確地測(cè)量每節(jié)電池的電壓相當(dāng)困難，因?yàn)殡姵亟M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(diǎn)，我們想想以下事實(shí)：電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)的電池組通常電壓非常高，由100至200個(gè)串聯(lián)連接的電池組成。這類電池組必須提供可能超過(guò) 200A的快速充電和放電電流，在電池組的頂端，電壓瞬態(tài)有可能超過(guò)100V。
對(duì)成本和可靠性的關(guān)注導(dǎo)致汽車(chē)電子產(chǎn)品向集成度更高、組件數(shù)更少的方向發(fā)展。在高度復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)中，這種趨勢(shì)尤其明顯，在這類系統(tǒng)中，我們看到，諸如凌力爾特 LTC6802這類電池監(jiān)視IC已經(jīng)出現(xiàn)。在新式電池管理系統(tǒng)中，這類高度集成的器件是關(guān)鍵的數(shù)據(jù)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(shù)。電池監(jiān)視器的主要功能是，直接測(cè)量串聯(lián)連接電池的電壓，典型情況下每個(gè)IC監(jiān)視12個(gè)通道。這類IC中還包括電池容量平衡控制和額外的測(cè)量輸入 (如用于溫度的輸入)。為了應(yīng)對(duì)高壓電池組，這類器件一般設(shè)計(jì)為通過(guò)菊花鏈?zhǔn)?/a>串行接口相互通信。在電池管理系統(tǒng)中，有一個(gè)組成部分一般不可能成功集成到電池監(jiān)視IC中，那就是嵌入式軟件。充電狀態(tài)算法是受到嚴(yán)密保護(hù)的技術(shù)，是特定于化學(xué)組成、尺寸、外形、工作條件和應(yīng)用的。就新式高壓、大功率電池組而言，現(xiàn)成有售的算法不可能有用，嵌入式軟件使故障機(jī)制影響分析 (FMEA) 變得復(fù)雜了，在使用嵌入式軟件的情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師無(wú)法進(jìn)行直接控制。圖1說(shuō)明了由任意節(jié)電池組成的電池模塊的基本配置，其中電池組管理系統(tǒng)的算法是軟件編碼的，并由開(kāi)發(fā)商獨(dú)家控制。
圖1：由很多節(jié)電池組成的電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)電池模塊的基本拓?fù)?br />
電池監(jiān)視IC的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素是，怎樣處理將遇到的汽車(chē)噪聲。例如，很多電池監(jiān)視器使用快速SAR轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電池的數(shù)字化，在超過(guò)100個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，這似乎是有利的。然而，汽車(chē)環(huán)境是有噪聲的，需要進(jìn)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(gè)原因，增量累加(DS)ADC比SAR轉(zhuǎn)換器有優(yōu)勢(shì)。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(wàn)次采樣的SAR ADC提供的吞吐量相同。例如，LTC6802采用一個(gè)每秒1000次采樣的DS ADC，該ADC在10ms時(shí)間內(nèi)可順序?qū)?0個(gè)輸入通道采樣。內(nèi)置的線性相位數(shù)字濾波器對(duì)10kHz開(kāi)關(guān)噪聲提供36dB的抑制。要在10kHz時(shí)獲得相同的噪聲抑制，每秒100萬(wàn)次采樣的SAR轉(zhuǎn)換器在每節(jié)電池上都需要一個(gè)轉(zhuǎn)角頻率為160Hz的單極性RC濾波器 (參見(jiàn)圖2)。RC濾波器的12位穩(wěn)定時(shí)間為8.4ms，即使SAR ADC能在10μs時(shí)間內(nèi)順序?qū)?0個(gè)通道采樣，由于濾波器的響應(yīng)，每8.4 ms超過(guò)1 次的掃描也是沒(méi)有意義的。
圖2：增量累加轉(zhuǎn)換器和采用RC電路的SAR轉(zhuǎn)換器的比較增量累加轉(zhuǎn)換器以更好的濾波性能提供同樣的有效吞吐量
1充電狀態(tài)控制要求電池容量平衡。通過(guò)有選擇地給一些電池放電或移走電荷，可以實(shí)現(xiàn)電池容量平衡，從而使電池電壓保持匹配，并處于特定范圍之內(nèi)。
在一長(zhǎng)串電池監(jiān)視IC的情況下，串行接口也是一個(gè)重要的考慮因素，凌力爾特提供兩種截然不同的選擇。一種選擇 (也是大多數(shù)電池監(jiān)視IC所支持的) 是菊花鏈?zhǔn)浇涌凇２捎镁栈ㄦ準(zhǔn)浇涌跁r(shí)，無(wú)需光耦合器或隔離器，鏈中每個(gè)IC就可與相鄰IC通信，只留下底部的器件與單個(gè)微處理器或控制單元連接。此外，凌力爾特還提供第二種選擇，即采用單獨(dú)可尋址的串行接口。采用這種接口，單個(gè)微控制器通過(guò)隔離與多個(gè)并聯(lián)器件通信。這種拓?fù)涮峁┍旧砀涌煽康?ldquo;星形配置”，因?yàn)槭ヅc一個(gè)器件的通信不會(huì)隔斷與其他任何器件的通信?？蓪ぶ菲骷€可用在經(jīng)過(guò)修改的菊花鏈?zhǔn)酵負(fù)渲?，在這種拓?fù)渲校鄬?duì)昂貴的隔離器已經(jīng)成為過(guò)去，取而代之的是不那么昂貴的“晶體管化”SPI總線配置。結(jié)果是具有極寬兼容范圍的串行接口。
經(jīng)過(guò)兩年的生產(chǎn)并基于經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的設(shè)計(jì)，凌力爾特推出了第二代器件。比較第一代和第二代器件，可以對(duì)未來(lái)高壓電池系統(tǒng)的發(fā)展方向有一些深入的了解。LTC6803的主要目標(biāo)之一是，即使在最極端的噪聲情況下，也能確保無(wú)差錯(cuò)通信。 對(duì)所有命令和數(shù)據(jù)都進(jìn)行包誤差檢測(cè)，以確保通信完整性。LTC6803系列繼續(xù)支持菊花鏈?zhǔn)胶蛦为?dú)可尋址串行通信，同時(shí)LTC6803菊花鏈能承受超過(guò)20V的AC噪聲和30V的快速開(kāi)關(guān)尖峰，而不會(huì)產(chǎn)生誤差(圖3)。
圖3：第二代菊花鏈可抵抗強(qiáng)噪聲
LTC6803有獨(dú)立的電源輸入，該輸入可斷接，同時(shí)其他連接保持完好無(wú)損(圖 4a)。在這種硬件停機(jī)情況下，LTC6803僅吸取幾nA的電流。這對(duì)電池組的長(zhǎng)期儲(chǔ)存很重要，因?yàn)榧傻碾姵毓芾硐到y(tǒng)消耗的電流有可能使電池組中的電池容量失衡。LTC6803還可以用一個(gè)獨(dú)立的電源工作，從而允許從一個(gè)單獨(dú)的電源而不是電池組吸取電源電流，如圖4b所示。該器件還允許使用簡(jiǎn)單的斷電功能。此外，采用單獨(dú)的電源時(shí)，即使所有電池的電壓都已急劇下降 (在使用超級(jí)電容器和燃料電池時(shí)可能出現(xiàn))，LTC6803仍可繼續(xù)監(jiān)視大量電池。圖4c說(shuō)明了擁有獨(dú)立電源輸入的優(yōu)點(diǎn)。
汽車(chē)中的電子產(chǎn)品日益增多，這促使產(chǎn)生了有關(guān)汽車(chē)電子產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的新標(biāo)準(zhǔn)。因此，出現(xiàn)了諸如AEC Q100、ISO 26262等汽車(chē)電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化成了廣泛的限定條件和內(nèi)部功能，以確保滿足系統(tǒng)安全要求。例如，LTC6803是與ISO 26262兼容的系統(tǒng)。ISO 26262是一個(gè)實(shí)用的安全標(biāo)準(zhǔn)，定義了汽車(chē)系統(tǒng)的安全要求，并對(duì)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)問(wèn)題產(chǎn)生影響，如冗余度、網(wǎng)絡(luò)配置、數(shù)據(jù)收集、傳感器，等等。LTC6803內(nèi)置了導(dǎo)線開(kāi)路檢測(cè)、數(shù)字濾波器檢查、多路復(fù)用器解碼器檢查功能以及看門(mén)狗定時(shí)器和一個(gè)備用電壓基準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)全面的自測(cè)試能力。
圖5：LTC6803的內(nèi)部自測(cè)試功能
LTC6803中還包括很多其他改進(jìn)，以滿足標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)設(shè)計(jì)之外的需求。例如，LTC6803提供擴(kuò)展的-300mV至5V測(cè)量范圍，該范圍支持超級(jí)電容器和鎳氫金屬電池。LTC6803完全規(guī)格在-40℃至125℃的溫度范圍內(nèi)工作，LTC6803還設(shè)計(jì)成能承受高達(dá)75V的電源電壓，以提供超過(guò)20%的過(guò)壓裕度。
汽車(chē)環(huán)境對(duì)電子產(chǎn)品而言非常嚴(yán)酷，然而汽車(chē)的日益電氣化也是無(wú)可辯駁的事實(shí)。電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)中的鋰離子電池系統(tǒng)不久就將成為主流，而諸如LTC6803等尖端測(cè)量器件是鋰離子電池系統(tǒng)取得成功所必不可少的。不僅需要這類器件來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，而且這些器件必須能在非常艱難的條件下長(zhǎng)期可靠工作。今天，凌力爾特的LTC6802已經(jīng)通過(guò)跑在路上的汽車(chē)證明，上述看法是正確的。毫無(wú)疑問(wèn)，在明天的汽車(chē)市場(chǎng)上，LTC6803無(wú)疑將繼續(xù)LTC6802的輝煌。