作者：凌力爾特公司信號調(diào)理產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)理 Mike Kultgen

　　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(guān)鍵。在集成電路設(shè)計領(lǐng)域的新技術(shù)使電池組設(shè)計師能進一步提高鋰離子電池的性能。更高的測量準(zhǔn)確度、更堅固的數(shù)據(jù)鏈路和電池容量的主動電荷平衡都幫助實現(xiàn)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(lián)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(zhí)行艱難的測量每節(jié)電池電壓、電流和溫度的任務(wù)，并向控制電路傳遞數(shù)據(jù)。控制器運用電池數(shù)據(jù)計算電池組的電荷狀態(tài)和健康狀態(tài)。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(nèi)保持平衡的電荷狀態(tài)。

　　圖1：電池組方框圖

　　更高的準(zhǔn)確度意味著更低的成本

　　模擬前端IC的測量準(zhǔn)確度對系統(tǒng)成本有直接影響。需要準(zhǔn)確的測量以實現(xiàn)有用的電荷狀態(tài)（SOC）計算。為了實現(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)1%的誤差意味著，每個電池組能節(jié)省約300歐元（385美元）。

　　電池電壓測量是SOC算法的關(guān)鍵要素。當(dāng)測量3.3V LiFePO4（磷酸鐵鋰）電池時，IC電源和電池組開發(fā)人員都集中采用總測量誤差1mV的規(guī)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(shè)備，測量3.3V至1mV以內(nèi)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(huán)境中連續(xù)工作15個年。只有為數(shù)不多的IC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

　　真實世界中的準(zhǔn)確度

　　什么樣的IC技術(shù)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(fù)用器（MUX）模塊來選擇。通過閉合“S”開關(guān)把電池電壓存儲在一個電容器上。斷開“S”開關(guān)，然后閉合“T”開關(guān)。電池兩端的電壓將轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將電池電壓與其電壓基準(zhǔn)進行比較，并產(chǎn)生一個與VCELL和VREF之比成比例的數(shù)字結(jié)果。

　　圖2：典型模擬前端IC

　　如果開關(guān)的阻抗太大，無法在很短的采樣時間內(nèi)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(xì)致的開關(guān)電容器設(shè)計可消除這個誤差項。

　　由ADC進行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換還可能由于器件失配而引入誤差。其次，細(xì)致的設(shè)計與器件微調(diào)相結(jié)合，可降低ADC引起的誤差。

　　AFE IC的基本限制來自電壓基準(zhǔn)

　　假如電壓基準(zhǔn)下降了1%，則所有的讀數(shù)都將增加1%。電壓基準(zhǔn)是由某種物理量產(chǎn)生的，可以是反向偏置PN結(jié)的雪崩擊穿（一個齊納基準(zhǔn)）、兩個基極-發(fā)射極電壓之差（一個帶隙基準(zhǔn)）、或一個電容器上存儲的電荷（一個 EPROM基準(zhǔn)）。每個AFE IC在生產(chǎn)中都進行了微調(diào)，以使電壓基準(zhǔn)的初始值非常準(zhǔn)確。不幸的是，視IC技術(shù)的不同而不同，電壓基準(zhǔn)可能隨著時間、溫度、濕度和印刷電路板（PCB） 組裝應(yīng)力的不同而產(chǎn)生極大的變化。這導(dǎo)致一些IC廠商只提出“典型”準(zhǔn)確度，而關(guān)于AFE IC在真實世界中會怎樣表現(xiàn)則未提供指導(dǎo)。

　　要在嚴(yán)酷的汽車環(huán)境中運行，最佳技術(shù)是齊納基準(zhǔn)。數(shù)年來，凌力爾特新的LTC6804 AFE電池組監(jiān)視器IC運用齊納電壓基準(zhǔn)技術(shù)，以保持優(yōu)于所需的準(zhǔn)確度。LTC6804比前一代產(chǎn)品有了顯著改進，前一代產(chǎn)品依靠帶隙電壓基準(zhǔn)。例如，考慮PCB組裝所產(chǎn)生的應(yīng)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(jīng)受機械應(yīng)力。帶隙基準(zhǔn)的表現(xiàn)就像一個應(yīng)變計，將機械應(yīng)力轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)電壓的變化。電壓基準(zhǔn)的任何變化都會直接降低電池測量的準(zhǔn)確度。PCB器件應(yīng)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(zhǔn)漂移以電池測量誤差（單位是mV）來表示（假設(shè)采用的是一個3.3V電池）。

　　圖3：生產(chǎn)之后的測量誤差。由于真實世界因素（a）PCB組裝應(yīng)力、（b）濕度變化、（c）所測得的基準(zhǔn)漂移和（d）估計的長期基準(zhǔn)漂移而產(chǎn)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(yīng)力。對應(yīng)力敏感的基準(zhǔn)會出現(xiàn)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(yīng)力。這種應(yīng)力隨著時間推移而緩慢釋放，導(dǎo)致基準(zhǔn)產(chǎn)生變化。在運行數(shù)千小時以后，這種影響會減小，這就是長期漂移規(guī)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(yù)計15年以后的漂移。

　　總之，提高電池測量準(zhǔn)確度可提高性能。就真實世界應(yīng)用的測量準(zhǔn)確度而言，采用齊納電壓基準(zhǔn)的AFE IC是最佳技術(shù)，正如圖3中的產(chǎn)品比較所示。

　　新的隔離式數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)模塊化電池組

　　電池組設(shè)計師受到激勵開發(fā)模塊化系統(tǒng)。16kW-hr的電池也許不便于放入汽車內(nèi)的單個艙中。此外，為了經(jīng)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(shè)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(shè)計變得復(fù)雜化。在電池模塊和控制電路之間傳輸數(shù)據(jù)需要一個線束。線束將遭受嚴(yán)重的電磁干擾 （EMI）。必須仔細(xì)注意數(shù)據(jù)通信硬件和軟件。AFE IC領(lǐng)域的新發(fā)明可以極大地降低數(shù)據(jù)通信的成本，同時保護電池組免受EMI影響。

　　2012 年生產(chǎn)具備模塊化電池組的汽車一般采用結(jié)合的CAN（控制器局域網(wǎng)）通信和數(shù)字隔離器，如圖4所示。CAN用兩條導(dǎo)線提供堅固的通信。一個小型微處理器 （MPU）將數(shù)據(jù)從CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換到AFE IC更簡單的SPI或I2C協(xié)議。模塊之間的隔離由一個數(shù)字隔離器IC提供，這有時需要一個隔離式電源。CAN收發(fā)器、MPU和隔離器IC合起來的成本大約為3.5歐元（4.50美元）。

　　圖4：運用CAN的隔離式數(shù)據(jù)通信

　　新的LTC6804 AFE IC消除了CAN的成本和軟件復(fù)雜性問題，同時在模塊之間提供堅固和隔離式兩線數(shù)據(jù)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(jié)合，實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)備。透明的isoSPI總線提供電流隔離和抵抗EMI的能力。

　　圖5：運用isoSPI實現(xiàn)的隔離式數(shù)據(jù)通信

　　isoSPI 脈沖的信號強度和兩線連接的阻抗是可調(diào)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(huán)冗余校驗（CRC），以確保數(shù)據(jù)的完整性。圖6說明了大電流注入（BCI）測試的結(jié)果。BCI測量一個系統(tǒng)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(chǎn)生的RF電流。數(shù)據(jù)包通過電纜發(fā)送，CRC用來查看是否有數(shù)據(jù)損壞。采用幾種不同的isoSPI數(shù)據(jù)脈沖強度來重復(fù)測試。20mA isoSPI數(shù)據(jù)脈沖不受200mA RF注入的影響。

　　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(lián)連接的電池都需要平衡。一節(jié)電池到另一節(jié)電池的自放電速率、電子負(fù)載和溫度都不同。經(jīng)過很多充電和放電周期后，這些差別導(dǎo)致電池電荷狀態(tài)出現(xiàn)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(jié)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(jié)電池就會達到80%的充電狀態(tài)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(fù)載電阻器消耗單節(jié)電池的電量，對于在串聯(lián)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)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(fù)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(jié)電池決定。平衡電池組并充電至80%。當(dāng)最薄弱的電池達到20%時，電池組的放電就停止了。正確設(shè)計的主動電荷平衡系統(tǒng)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(tài)。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(xiàn)主動電荷平衡。LTC3300（圖7）為滿足大型電池系統(tǒng)的雙向主動平衡需求而設(shè)計。

　　圖7：采用LTC6804和LTC3300的監(jiān)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?fù)洌淮巫疃嗫蓪?2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(jié)電池組成的模塊傳送至一個模塊。可實現(xiàn)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(xiàn)非常高的容量恢復(fù)（>80%）。LT3300可以通過LTC6804上的串行端口來控制。這兩個IC建立了準(zhǔn)確和易于使用的電池監(jiān)視器和平衡系統(tǒng)。

　　LT8584（圖8）單片反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器用單向拓?fù)鋵崿F(xiàn)了主動平衡。這種單向方式有一個優(yōu)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?fù)淇赡軆H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(guān)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(xiàn)了又一個易于使用兩個IC來監(jiān)視和平衡的方案。

　　圖8：采用LTC6804和LT8584的監(jiān)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(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性，因此電池組可從每節(jié)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(chǎn)品。