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混合動力電動型汽車電池中的電子器件是提高性能和安全性的關鍵。在集成電路設計領域的新技術使電池組設計師能進一步提高鋰離子電池的性能。更高的測量準確度、更堅固的數據鏈路和電池容量的主動電荷平衡都幫助實現了更低的成本、更長的行駛周期和更快的充電。 典型的電池組方框圖(圖1)由幾組串聯連接的鋰離子電池組成，它們的測量和平衡由高壓模擬集成電路完成。這些模擬前端(AFE) IC執行艱難的測量每節電池電壓、電流和溫度的任務，并向控制電路傳遞數據。控制器運用電池數據計算電池組的電荷狀態和健康狀態。控制器可能命令前端IC給某些電池充電或放電，以在電池組內保持平衡的電荷狀態。 BATTERY PACK：電池組 DATA PORT：數據端口 CONTROLLER：控制器 State of Charge：電荷狀態 State of Health：健康狀態 System Safety：系統安全 DATA BUS：數據總線 ISOLATION BARRIER：隔離勢壘 MEASURE & BALANCE：測量與平衡 12 SERIES LI-ION CELLS：12節串聯的鋰離子電池 圖1：電池組方框圖 更高的準確度意味著更低的成本 模擬前端IC的測量準確度對系統成本有直接影響。需要準確的測量以實現有用的電荷狀態(SOC)計算。為了實現長壽命，電池組一般在20%至80%的SOC之間工作。如果在SOC計算中有5%的不確定性，那么電池組的尺寸就必須增大5%，這導致電池的成本顯著增大。給一個16kW-hr電池組增加5%的容量，需要約360歐元(460美元)。改進SOC計算以實現1%的誤差意味著，每個電池組能節省約300歐元(385美元)。 電池電壓測量是SOC算法的關鍵要素。當測量3.3V LiFePO4(磷酸鐵鋰)電池時，IC電源和電池組開發人員都集中采用總測量誤差1mV的規格。 對于諸如售價480歐元(615美元)的Fluke-289手持式萬用表等實驗室設備，測量3.3V至1mV以內的電壓是司空見慣的。AFE IC必須以1/100的成本提供相同的性能，并在汽車環境中連續工作15個年。只有為數不多的IC技術能夠實現這一目標。 真實世界中的準確度 什么樣的IC技術最適合電池測量呢？答案可從圖2(典型AFE IC的方框圖)的誤差分析獲得。12個串接電池之一由多路復用器(MUX)模塊來選擇。通過閉合“S”開關把電池電壓存儲在一個電容器上。斷開“S”開關，然后閉合“T”開關。電池兩端的電壓將轉移至ADC。這種“飛跨電容器”方案消除了頂端電池33V的大共模電壓，并保持了3.3V的差分電壓。模數轉換器(ADC)將電池電壓與其電壓基準進行比較，并產生一個與VCELL和VREF之比成比例的數字結果。 DATA I/O：數據I/O VOLTAGE REFERENCE：電壓基準 圖2：典型模擬前端IC 如果開關的阻抗太大，無法在很短的采樣時間內給電容器充電，那么MUX和飛跨電容器就可能引入測量誤差。細致的開關電容器設計可消除這個誤差項。 由ADC進行從模擬到數字的轉換還可能由于器件失配而引入誤差。其次，細致的設計與器件微調相結合，可降低ADC引起的誤差。 AFE IC的基本限制來自電壓基準 假如電壓基準下降了1%，則所有的讀數都將增加1%。電壓基準是由某種物理量產生的，可以是反向偏置PN結的雪崩擊穿(一個齊納基準)、兩個基極-發射極電壓之差(一個帶隙基準)、或一個電容器上存儲的電荷(一個EPROM基準)。每個AFE IC在生產中都進行了微調，以使電壓基準的初始值非常準確。不幸的是，視IC技術的不同而不同，電壓基準可能隨著時間、溫度、濕度和印刷電路板(PCB)組裝應力的不同而產生極大的變化。這導致一些IC廠商只提出“典型”準確度，而關于AFE IC在真實世界中會怎樣表現則未提供指導。 要在嚴酷的汽車環境中運行，最佳技術是齊納基準。數年來，凌力爾特新的LTC6804 AFE電池組監視器IC運用齊納電壓基準技術，以保持優于所需的準確度。LTC6804比前一代產品有了顯著改進，前一代產品依靠帶隙電壓基準。例如，考慮PCB組裝所產生的應力。AFE IC在焊接過程中會遭受幾種熱沖擊。在塑料封裝和銅引線框架的膨脹和收縮過程中，芯片會經受機械應力。帶隙基準的表現就像一個應變計，將機械應力轉換成基準電壓的變化。電壓基準的任何變化都會直接降低電池測量的準確度。PCB器件應力的影響示于圖3，在熱沖擊之前和之后對10個AFE IC(3種類型)進行了測量。基準漂移以電池測量誤差(單位是mV)來表示(假設采用的是一個3.3V電池)。 mV of additional measurement error due to PCB assembly：由于PCB組裝而產生的額外測量誤差(單位mV) Number of units out of 10：來自10個器件的個數 Competitor：競爭對手的器件 Hours in the test chamber with, then without a cup of water：在有、然后是沒有一杯水的測量室中的時間(小時) mV of additional measurement error due to humidity：由于濕度而產生的額外測量誤差(單位mV) Competitor：競爭對手的器件 Years of Operation：工作年限 mV of additional measurement error due to long term reference drift：由于長期基準漂移而產生的額外測量誤差(單位mV) LTC6802 Worst Case Measured bandgap Drift：LTC6802在最差情況下測得的帶隙漂移 LTC6804 Worst Case Measured Zener Drift (data from LT1021)：LTC6804在最差情況下測得的齊納漂移(數據來自LT1021) Years of Operation：工作年限 mV of additional measurement error due to long term reference drift：由于長期基準漂移而產生的額外測量誤差(單位mV) Estimated mV Error = X * 3.3. / (SQRT[hours/1000]) / 1000：估計的mV誤差 = X * 3.3/ [√ (小時/1000)] / 1000 LTC & other bandgap based AFE IC's：LTC6802和其他基于帶隙的AFE IC 圖3：生產之后的測量誤差。由于真實世界因素(a)PCB組裝應力、(b)濕度變化、(c)所測得的基準漂移和(d)估計的長期基準漂移而產生的3.3V電池測量誤差。 濕度是另一個考慮因素。潮氣滲進塑料封裝，并改變機械應力。對應力敏感的基準會出現電壓變化。最后，還有長期漂移。在IC封裝組裝過程中，芯片會受到應力。這種應力隨著時間推移而緩慢釋放，導致基準產生變化。在運行數千小時以后，這種影響會減小，這就是長期漂移規定以ppm/√kHr為單位的原因。圖3顯示了3000小時以后所測得的漂移以及預計15年以后的漂移。 總之，提高電池測量準確度可提高性能。就真實世界應用的測量準確度而言，采用齊納電壓基準的AFE IC是最佳技術，正如圖3中的產品比較所示。 新的隔離式數據鏈實現模塊化電池組 電池組設計師受到激勵開發模塊化系統。16kW-hr的電池也許不便于放入汽車內的單個艙中。此外，為了經濟的適用性和保修，8,000歐元(10,235美元)的電池組可以分成小的模塊。而且，單個模塊化電池組設計可以擴大或縮小，以滿足很多不同汽車平臺的需求。 倘若把一個大型電池組拆分成若干個較小的模塊，則會使電氣連接的設計變得復雜化。在電池模塊和控制電路之間傳輸數據需要一個線束。線束將遭受嚴重的電磁干擾(EMI)。必須仔細注意數據通信硬件和軟件。AFE IC領域的新發明可以極大地降低數據通信的成本，同時保護電池組免受EMI影響。 2012年生產具備模塊化電池組的汽車一般采用結合的CAN(控制器局域網)通信和數字隔離器，如圖4所示。CAN用兩條導線提供堅固的通信。一個小型微處理器(MPU)將數據從CAN協議轉換到AFE IC更簡單的SPI或I2C協議。模塊之間的隔離由一個數字隔離器IC提供，這有時需要一個隔離式電源。CAN收發器、MPU和隔離器IC合起來的成本大約為3.5歐元(4.50美元)。 CONTROL MODULE：控制模塊 BATTERY MODULE：電池模塊 12 CELLS：12節電池 ~3.5 EUROS：大約3.5歐元 圖4：運用CAN的隔離式數據通信 新的LTC6804 AFE IC消除了CAN的成本和軟件復雜性問題，同時在模塊之間提供堅固和隔離式兩線數據傳送。圖5顯示，用LTC6804的isoSPI端口與一個簡單的脈沖變壓器相結合，實現了電池模塊的互連。另一種凌力爾特IC是LTC6820隔離式SPI接口IC，將任何微處理器的SPI端口連接到isoSPI總線。來自微處理器的時鐘、數據和芯片選擇信號由LTC6820編碼成不同的脈沖。LTC6804將這些脈沖解碼回時鐘、數據和芯片選擇信號。微處理器將LTC6804 AFE IC看作一個簡單的SPI外圍設備。透明的isoSPI總線提供電流隔離和抵抗EMI的能力。 CONTROL MODULE：控制模塊 BATTERY MODULE：電池模塊 12 CELLS：12節電池 圖5：運用isoSPI實現的隔離式數據通信 isoSPI脈沖的信號強度和兩線連接的阻抗是可調的。通過改變電阻器的值(未顯示)，用戶可以提高信號電流。這種靈活性意味著，isoSPI總線可以定制以通過100米電纜通信并抑制高干擾電平。LTC6804 AFE IC包括15位循環冗余校驗(CRC)，以確保數據的完整性。圖6說明了大電流注入(BCI)測試的結果。BCI測量一個系統的抗電磁干擾性。RF能量通過夾在電纜的探頭注入。另一個探頭測量所產生的RF電流。數據包通過電纜發送，CRC用來查看是否有數據損壞。采用幾種不同的isoSPI數據脈沖強度來重復測試。20mA isoSPI數據脈沖不受200mA RF注入的影響。 RF Frequency：RF頻率 % of Good Data Packets：好數據包的比例(%) Data Errors with 200mA RF Interference Level：在200mA RF干擾時的數據誤差 20mA isoSPI strength, no errors: 20mA isoSPI強度，無誤差 10mA isoSPI strength: 10mA isoSPI強度 2mA isoSPO strength: 2mA isoSPI強度 圖6：isoSPI抗RF干擾能力 主動電荷平衡加速充電并增大能量 所有串聯連接的電池都需要平衡。一節電池到另一節電池的自放電速率、電子負載和溫度都不同。經過很多充電和放電周期后，這些差別導致電池電荷狀態出現不容忽視的不平衡。電荷不平衡會降低電池組容量。例如，如果一節電池的電量比其他電池多10%，這時給電池組加上充電電流，那么這節電池就會達到80%的充電狀態限制，而其他電池則充電到70%。電池組中的可用電量減少了10%。被動平衡通過一個負載電阻器消耗單節電池的電量，對于在串聯連接的電池組中平衡失配電池而言，這是成本最低和最簡單的方式。大多數AFE IC都支持被動平衡。 被動平衡能效低且速度慢。典型的平衡電流范圍為電池容量的1%至5%。要從一個40A-hr的電池消耗10%的電量，在I = 400mA時需要10個小時，或者在I = 2A時產生8W的熱量。很多電池都可能需要平衡。就大容量電池組而言，被動平衡器產生的熱量是不可接受的，而高效率、大電流主動電荷平衡器是惟一可行的解決方案。 主動電荷平衡不僅能以更低的熱量加速充電，而且有助于恢復容量。電池隨著老化容量會下降。由于電池組的溫度變化率和電池制造差異，隨著時間推移，電池會有不同程度的老化。電池甚至有可能在維修時被替換。在采用被動平衡方式時，電池組的容量由最薄弱的一節電池決定。平衡電池組并充電至80%。當最薄弱的電池達到20%時，電池組的放電就停止了。正確設計的主動電荷平衡系統將按照需要，高效率地在整個電池組中重新分配電荷，并基于平均容量的電池而不是最低容量的電池確保達到20%和80%狀態。為了最大限度地延長電池組的運行時間，在電池組的充電和放電過程中，都必須對電池加以平衡。 LTC3300和LT8584等的新IC將在汽車電池組中實現主動電荷平衡。LTC3300(圖7)為滿足大型電池系統的雙向主動平衡需求而設計。 CHARGE SUPPLY：供應電荷 CHARGE RETURN：電荷返回 NEXT CELL ABOVE：上節電池 NEXT CELL BELOW：下節電池 圖7：采用LTC6804和LTC3300的監視器和主動電荷平衡解決方案 這采用了一種非隔離型同步反激式拓撲，一次最多可對12個或更多鄰接電池中的6個電池進行電荷平衡。平衡電流可能高達10A。通過將每個反激式變壓器的副端交錯連接，電荷可從一個由12節電池組成的模塊傳送至一個模塊。可實現非常高的傳送效率(>92%)，而且就典型的電池至電池失配情況而言，可以實現非常高的容量恢復(>80%)。LT3300可以通過LTC6804上的串行端口來控制。這兩個IC建立了準確和易于使用的電池監視器和平衡系統。 LT8584(圖8)單片反激式DC/DC轉換器用單向拓撲實現了主動平衡。這種單向方式有一個優勢，即從一個給定電池向整個電池組重新分配電荷，從而提供高效率電池放電。這種拓撲可能僅在放電方向移動電荷，因此對給定電池的“充電”會比雙向方式的效率低。集成的6A電源開關支持2.5A平均平衡電流。LT8584還可以測量平衡電流、芯片溫度和電纜電阻。LT8584直接連接到LTC6804 AFE IC，實現了又一個易于使用兩個IC來監視和平衡的方案。 MODULE：模塊 2.5A AVERAGE DISCHARGE 1：2.5A平均放電電流1 READ CELL PARAMETERS：讀電池參數 ENABLE BALANCING：實現平衡 BATTERY STACK MONITOR：電池組監視器 圖8：采用LTC6804和LT8584的監視器和主動電荷平衡解決方案 新的IC提高性能并降低成本 LTC6804等測量IC提供有保證的測量準確度和長期穩定性，因此電池組可從每節電池抽取最多能量。isoSPI等簡單的隔離式兩線通信方案最大限度地降低了器件成本，并提供抗電磁干擾能力。LTC3300和LT8584主動電荷平衡IC加速充電，并最大限度地提高電池容量。這些令人振奮的新IC是最先進和面向新一代(混合)電動型汽車電池組的產品。 |
