詳察電池芯的電池組監(jiān)控IC

電池芯、超級(jí)電容和燃料電池芯都需要小心監(jiān)護(hù)，以擴(kuò)展諸如電動(dòng)汽車和混合型汽車中的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的使用范圍，延長其壽命，并確保其安全性（圖1）。電池正在一系列汽車應(yīng)用中得到發(fā)展。微型混合型汽車采用傳統(tǒng)的12V鉛酸電池，并有交流發(fā)電機(jī)-電機(jī)單元，汽車停車時(shí)可以讓引擎停機(jī)。當(dāng)踩下油門時(shí)，引擎會(huì)順滑地起動(dòng)，然后正常運(yùn)行。而混合型汽車有更大的電池，如豐田公司的Prius、本田公司的Insight和雪佛蘭的Volt。這些電池產(chǎn)生的電壓超過200V。傳統(tǒng)電池芯的化學(xué)類型是NiMH（鎳金屬-氫化物），但很多鋰化學(xué)技術(shù)能在某種重量下提供更高的能量（圖2）。全電動(dòng)汽車（如Tesla的Roadster和尼桑的Leaf）都有最大的電池，它們電池組的電壓范圍從300V400V。

電池電壓越高，在給定功率下的電流就會(huì)越低，從而減小了昂貴銅線電纜的直徑。更重要的是，較高的電壓可以采用較大輸出的電機(jī)繞組。2004年，豐田為Prius增加了一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，將電池組電壓從200V升高至500V。這一步驟使豐田重新設(shè)計(jì)了推進(jìn)電機(jī)，將扭矩從350 Nm提高到400 Nm，而功率從33 kW提高到50 kW（參考文獻(xiàn)1）。

數(shù)據(jù)中心亦將300V電池串用于UPS（不間斷電源）備份電源。在這種應(yīng)用中，鋰離子電池正在替代鉛酸電池。汽車?yán)昧虽囯x子更好的重量能量密度，即每磅或每千克的能量。UPS應(yīng)用則利用了鋰離子電池的體積能量密度。數(shù)據(jù)中心的空間都很昂貴，盡管鋰離子電池系統(tǒng)價(jià)格可能較高，但它占據(jù)的空間只有鉛酸電池系統(tǒng)的四分之一。這一事實(shí)通常能讓數(shù)據(jù)中心將電池和轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)放在一間屋子里。有些數(shù)據(jù)中心正在考慮去掉轉(zhuǎn)換器，而將直流電源輸送給可以接受直流輸入的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器。

由于鋰離子電池的尺寸小，它們在電網(wǎng)級(jí)應(yīng)用中可獲得與數(shù)據(jù)中心相同的效益。有些電網(wǎng)級(jí)方案傾向采用燃料電池，而高壓燃料電池組要求與電化學(xué)電池相同的精心監(jiān)護(hù)。燃料電池芯還有特殊要求，在使用期間燃料電池芯有兩種極性，會(huì)表現(xiàn)出多種故障模式。IC制造商正在使自己的電池組監(jiān)護(hù)芯片適應(yīng)于承受這些電池芯的負(fù)電壓。

圖2，電動(dòng)汽車與UPS應(yīng)用都可能使用多種電池類型，它們都需要用電池組測量IC作監(jiān)控(Linear Technology公司提供）。

當(dāng)監(jiān)護(hù)超級(jí)電容組時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類似的問題。用戶希望獲得電容的全部能量，而這樣就意味著要將其放電至0V。如果出現(xiàn)這種情況，則介電效應(yīng)將使電容出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電壓，一般可達(dá)-0.5V。有些IC制造商正在改進(jìn)自己的電池組芯片，使之能承受負(fù)電勢。超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量少于電池或燃料電池，因此較少用于高能應(yīng)用（見附文1“電池的化學(xué)特性”）。

電池芯監(jiān)控

汽車與UPS制造商都希望精確地監(jiān)控一個(gè)電池組中的每只電池芯。Analog Devices公司混合與電動(dòng)汽車行業(yè)營銷經(jīng)理Paul Maher說：“你肯定不愿因?yàn)橐恢粔碾姵匦径屍囃Ｏ聛?，但過熱情況下就得停車了。”對汽車電池的監(jiān)控非常關(guān)鍵。他補(bǔ)充說：“一臺(tái)筆記本電腦的電池預(yù)計(jì)可使用兩年，但一個(gè)汽車電池組應(yīng)可持續(xù)10年。”

測量必須很精確，因?yàn)閿?shù)毫伏電壓可能代表著大量的電荷。測量有一種共模問題，它要在有數(shù)百伏共模電勢情況下，嘗試對電池芯的精確測量。這種測量不是可以使用集成ADC的直流測量。電池電壓可能以千赫的速率做改變，原因是電機(jī)變頻器電路的斬波動(dòng)作。此外，測量系統(tǒng)還需要有隔直措施，因?yàn)殡姵仉妷汉芪ｋU(xiǎn)。芯片必須耗電很低，這樣才不會(huì)消耗掉電池能量。除了測量本身的困難以外，還必須將測量結(jié)果送至汽車或數(shù)據(jù)中心的多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。

圖3，本電路解決了共模電壓的測量問題，方法是通過一個(gè)小型隔離變壓器，傳送電池芯電壓與二極管壓降。

電池組監(jiān)控電路的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是精度?，F(xiàn)代鋰離子電池芯有一個(gè)平坦的放電曲線。德州儀器公司功率營銷經(jīng)理Matthew Borne稱：“在對電池芯的充電狀態(tài)估測時(shí)，5 mV的測量誤差代表10%的錯(cuò)誤。”必須停止電池的放電，否則會(huì)損壞電池，因此較高的精度直接對應(yīng)著更大的范圍；一個(gè)4V電池芯上的8 mV準(zhǔn)確度對應(yīng)0.2%的精度。要提供0.2%的系統(tǒng)精度，電壓基準(zhǔn)在時(shí)間和溫度上的精度都必須為約0.1%（參考文獻(xiàn)2）。

一旦獲得了足夠的精度，就面臨著另一個(gè)問題：測量一只可能與十幾只其它電池芯串聯(lián)的4V電池芯。如果打算用衰減器來測量電池芯電壓，就可能需要精密電阻分壓器（見附文2“共模問題”）。薄膜電阻并不夠精確，不能隨溫度而保持足夠緊密的跟蹤性。

電容可以充到電池芯電壓，然后將它們切換到一個(gè)以機(jī)架為基準(zhǔn)的電勢。這種所謂的飛電容（flying-capacitor）方法可以工作，但有缺點(diǎn)。例如，Maxim Integrated Products公司的汽車與工業(yè)電池產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理Stephen G LaJeunesse認(rèn)為，電容會(huì)開始在不同電勢的電池芯之間傳送失配的電荷。他說：“它們還需要大電壓開關(guān)，而這些開關(guān)有自身的損耗，”從而降低了電路的效率。

Linear Technology公司資深科學(xué)家Jim Williams開發(fā)了一種新穎電路，采用小型廉價(jià)變壓器查詢每只電池芯的電壓（圖3與參考文獻(xiàn)3）。電路工作情況良好，但變壓器增加了成本，也會(huì)由于震動(dòng)而出現(xiàn)故障。

電池組監(jiān)控IC的制造商避免共模問題的方法是將芯片浮接在電池組的電壓上。它們將模擬測量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后將這些數(shù)字位下送給其它芯片的daisy鏈。這個(gè)步驟可去掉系統(tǒng)中的電阻衰減器，并且測量中不會(huì)有任何的共模衰減誤差（圖4）。