檢測子系統 - 電動汽車電源設計挑戰:高壓鋰離子電池組管理系統

2012年10月15日 15:06 來源：本站整理 作者：灰色天空 我要評論(0)

檢測子系統

電池接口控制系統的核心是一個復雜的檢測子系統——一個完整的嵌入式系統電路，負責監視每個鋰離子電池組的輸出電壓和電池組的溫度。電池電壓經過電池連接器到達L9763，一塊由意法微電子和LG Chem聯合開發的ASIC。

L9763 ASIC可以監視多達10個獨立的鋰離子電池組，可以通過片上電流檢測放大器進行電池－負載－電流的監視，并通過片上的模擬復用器和采樣保持電路完成電池電壓的監視(圖4)。這個器件的差分輸入可以在大偏移電壓條件下確保毫伏精度的測量，具體取決于電池單元在電池組中的位置。另外，PCB設計師可以聯合使用走線版圖技術、隔離技術和前面提到的地平面，以確保這種極具挑戰的環境中信號的完整性。

圖4：L9763 ASIC包含有用于測量Volt電池組的電壓和電流以及通過無源電阻電池平衡技術平衡這些電池中電量的片上電路。(意法微電子公司提供)

根據這些測量結果，L9763的片上電路會將個別電池組切換到外部電阻網絡，以便有選擇性地給電池放電，從而減小由于大的電壓差異引起的應力。這種簡單的無源技術為電池平衡提供了簡單、低成本的解決方案，但損失了效率，因為能量變成了放電電阻上的熱量而損失掉了(圖5)。替代性的電池平衡技術是使用有源方法，將最高電壓電池的電量存儲起來，并重新分配給最低的電池。這種技術需要在每節電池之間順序切換，并使用電容、電感或變壓器來儲存或重新分配電量。雖然有源方法與無源方法相比具有節省能量的優勢，但增加了系統成本和復雜性。

圖5：無源電池平衡技術(左)將高電壓電池切換到放電電阻；有源電池平衡技術可以依次累積電量到電容上(右)或電感上，或者使用變壓器將電量分配給低電壓電池。(意法微電子提供)。

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。