混合動(dòng)力 / 電動(dòng)型汽車的電池管理挑戰(zhàn)

最近，電池技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)在汽車市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了一些最令人振奮的創(chuàng)新，因此產(chǎn)生了一代又一代最新電動(dòng)型汽車 (EV) 和混合動(dòng)力/ 電動(dòng)型汽車 (HEV)。諸如能量存儲(chǔ)系統(tǒng) (ESS) 等最新應(yīng)用也開始出現(xiàn)，這對(duì)于能量如何產(chǎn)生、分配及存儲(chǔ)帶來了革命性的改變。使這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師面臨著巨大的成本、設(shè)計(jì)靈活性、電池組可靠性和壽命以及安全性的挑戰(zhàn)。

電池組能否很好地應(yīng)對(duì)每一種設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，電池管理系統(tǒng) (BMS) 起著決定性作用。BMS 的核心是電池監(jiān)視集成電路 (IC)。這種 IC 用來測(cè)量單個(gè)電池的電壓，以確定充電狀態(tài)和電池組健康狀況。

電池監(jiān)視器 IC 最關(guān)鍵的特性是準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)可靠性及故障可檢測(cè)性。監(jiān)視器 IC 的準(zhǔn)確度直接影響系統(tǒng)成本、電池組可靠性及壽命。每節(jié)電池的容量都是有限的，必須仔細(xì)加以管理。過度充電可能引起安全性和可靠性問題，而過度放電則可能影響電池的壽命。如果使用準(zhǔn)確度不那么高的監(jiān)視器 IC，就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采用較大的“保護(hù)帶”，以抵御過壓和欠壓影響，因此限制了汽車的總體可用電池容量。準(zhǔn)確度較高的監(jiān)視器 IC 可以更充分地利用每節(jié)電池的總?cè)萘?，從而降低了電池組系統(tǒng)的總體成本。

為了隨時(shí)間和工作條件的變化提供最高準(zhǔn)確度，凌力爾特在 LTC6804 電池監(jiān)視器 IC (圖 1) 中采用了掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)。這可以保證電池電壓總體測(cè)量誤差低于 1.2mV。為了在電氣噪聲以及從逆變器、執(zhí)行器、開關(guān)、繼電器等導(dǎo)致瞬態(tài)存在的情況下保持最高準(zhǔn)確度的測(cè)量，LTC6804 采用了內(nèi)置三階噪聲濾波的增量累加 ADC。

圖 1：凌力爾特的 LTC6804 能夠以 16 位分辨率和好于 0.04% 的準(zhǔn)確度測(cè)量多達(dá) 12 個(gè)電壓高達(dá) 4.2V 和串聯(lián)連接的電池

理想情況下，一個(gè)電池組會(huì)分成多個(gè)較小的模塊，這些模塊分布在汽車各處，以實(shí)現(xiàn)更高的設(shè)計(jì)靈活性和重量分布。挑戰(zhàn)是，這些電池模塊需要在充滿電氣噪聲以及物理?xiàng)l件非常嚴(yán)酷的環(huán)境中傳達(dá)敏感的測(cè)量數(shù)據(jù)。CANbus 本來是用來在嚴(yán)酷的汽車環(huán)境中提供可靠通信，但是原始 BMS 數(shù)據(jù)的吞吐量要求以及組件成本一直使 CANbus 無法用于電動(dòng)型汽車和混合動(dòng)力 / 電動(dòng)型汽車中。由于這個(gè)原因，凌力爾特開發(fā)了 isoSPI? 接口，可通過長達(dá) 100m 的電纜提供低成本可靠通信。LTC6804 內(nèi)置的 isoSPI 接口與伴隨器件 LTC6820 isoSPI 通信接口 IC 一起，再加上一些類似于以太網(wǎng)中所用的那類纖巧變壓器和一個(gè)平衡線對(duì)，就可提供高達(dá) 1Mbps 的數(shù)據(jù)速率，而不會(huì)產(chǎn)生與 CANbus 有關(guān)的成本問題。isoSPI 接口為無誤差傳輸而設(shè)計(jì)，同時(shí)能夠通過嚴(yán)格的大電流注入 (BCI) 干擾測(cè)試。實(shí)際上，在凌力爾特公司進(jìn)行的測(cè)試顯示，在超級(jí)嚴(yán)酷的 200mA BCI 情況下，所有性能都達(dá)到了測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，而且在幾家主要汽車公司進(jìn)行的測(cè)試得到了同樣的結(jié)果，因此 isoSPI 鏈路用于汽車底盤束線布線是完全合格的。

安全性是電動(dòng)型汽車制造商的頭等大事。隨著電子組件越來越廣泛地用于汽車中，人們也越來越關(guān)注這些組件的工作對(duì)安全性的影響。凌力爾特多年來一直是大型汽車客戶的供應(yīng)商，并致力于不斷改進(jìn)已經(jīng)非常卓越的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。此外，電池組設(shè)計(jì)師希望 IC 制造商提供全面的故障檢測(cè)。為保證汽車安全而設(shè)計(jì)的電池監(jiān)視器符合 ISO26262 標(biāo)準(zhǔn)，并包括冗余電路、自測(cè)試功能、看門狗定時(shí)器、以及通信誤差檢測(cè)和矯正功能。

隨著電動(dòng)型汽車和混合動(dòng)力 / 電動(dòng)型汽車日益流行，電池組系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將致力于不斷降低成本、提高性能和安全性。由于認(rèn)識(shí)到電池監(jiān)視器 IC 在這些方面的關(guān)鍵作用，汽車設(shè)計(jì)師將采用可提供最高準(zhǔn)確度、可靠性及最強(qiáng)故障檢測(cè)能力的 IC。