一款高效電池管理系統(tǒng)的構(gòu)建

假定你接受了一項任務(wù)，為一個新的和基于電池的電源系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)視器電路，那么你會采取什么策略來優(yōu)化該設(shè)計的成本和可制造性呢?最初考慮的問題將是確定系統(tǒng)的首選結(jié)構(gòu)以及電池和有關(guān)電子組件的位置。基本結(jié)構(gòu)清楚以后，接下來必須考慮的一個問題是，電路拓?fù)涞臋?quán)衡協(xié)調(diào)問題，例如，怎樣優(yōu)化最終產(chǎn)品的通信和互連。

　　電池的外形尺寸將對電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有重大影響。要使用大量小型電池以適合形狀復(fù)雜的電池模塊 (或電池組) 嗎?或者要使用外形尺寸很大的電池，因而由于重量問題而導(dǎo)致對電池數(shù)量的限制或引起其他的尺寸限制?這也許是設(shè)計變數(shù)最大的部分，因為外形新穎的電池不斷上市，而且人們也在不斷努力，務(wù)求電池模塊或電池組集成到產(chǎn)品中后，會與整個產(chǎn)品概念更加一致。例如，在汽車設(shè)計情況下，電池最終也許分散在車輛上的某些空間中，這些空間如果不放電池，利用效率很低。

　　另一個考慮因素是，電池 (或模塊化電池組)、電池管理系統(tǒng) (或其子系統(tǒng)) 以及最終應(yīng)用接口之間的測試信號和 / 或遙測信號的互連。在大多數(shù)情況下，可以做一個外殼，用來集成電池模塊或電池組中的某些數(shù)據(jù)采集電路，以便如果需要調(diào)換，那么生產(chǎn) ID、校準(zhǔn)、使用規(guī)格等重要信息能隨著可替換組件帶走。這類信息對電池管理系統(tǒng) (BMS)或維修設(shè)備可能有用，而且最大限度地減少了線束中所需的高壓額定值導(dǎo)線的數(shù)量。

　　接下來，就給定的機械概念設(shè)計而言，監(jiān)視硬件拓?fù)溆删_定義的、所需支持的電池數(shù)量決定。在汽車應(yīng)用中，一般情況下總共會有 100 個以上的電池測量點，而且系統(tǒng)的模塊化將決定一個給定的電路系統(tǒng)測量多少個電池。最常見的情況是，以安全斷接“維修插頭”方式，將所有電池分成至少兩個子組。通過在故障情況下保持電壓低于 200V，這種方法最大限度地降低了維修人員可能遇到的觸電危險。外形尺寸較大的電池組意味著，要采用兩套隔離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每套也許支持 50 個電池分接頭。在有些情況下，所有電子組件都在一個經(jīng)濟實惠的印刷電路板上，但是這需要大量互連，如圖 1 (a)所示?；蛘撸娮咏M件也可以分散放置，更加緊密地集成在電池模塊中，但是這需要采用遙測鏈接方法。為了實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)完整性，內(nèi)置于汽車線束中的遠端測量功能電路必須采用一種堅固型協(xié)議，例如廣泛使用的 CAN 總線。盡管真正的 CAN 總線接口涉及幾個網(wǎng)絡(luò)層，但是可以很方便地采用 PHY 層構(gòu)成 BMS LAN 結(jié)構(gòu)，以高效率地進行模塊內(nèi)的通信。這類分布式結(jié)構(gòu)如圖 1 (b)所示。該拓?fù)湓试S在幾個小型處理器之間分配計算工作量，從而降低所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，并減輕 LAN 方法可能引起的 EMI 問題。最終的 BMS 應(yīng)用接口很可能是至一個主系統(tǒng)管理處理器的 CAN 總線接線，而且將需要定義 (或在一開始規(guī)定) 特定的信息事務(wù)處理。

　　其他因素也可能對物理結(jié)構(gòu)和監(jiān)視電路造成影響。就鋰離子電池而言，需要電池容量平衡，從而導(dǎo)致了額外的熱量管理問題(去除熱量)，而且如果需要有源平衡，還需要電源轉(zhuǎn)換電路。溫度探頭常常分布在整個模塊之上，以提供一種將電壓讀數(shù)與充電狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設(shè)計時一個常常忽視的考慮因素是，當(dāng)產(chǎn)品安裝之前閑置或儲存在貨架上時，電池的電量泄漏應(yīng)該是最低的。在有些情況下，額外的控制配線是必要的。

　　在上面實現(xiàn)的這些結(jié)構(gòu)中，都有一個常見的測量功能構(gòu)件，該構(gòu)件包括一個多通道 ADC、安全隔離勢壘和某種程度的本地處理能力。圖 2 電路顯示了一個實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能的可擴展設(shè)計平臺。在這個圖中，實現(xiàn)功能的核心組件是凌力爾特的 LTC6803 電池組監(jiān)視器 IC，同時顯示的還有一個 SPI 數(shù)據(jù)隔離器和一些可選的特殊用途電路。該電路包括輸入濾波器和無源平衡功能，構(gòu)成了一個完整的 12 節(jié)電池數(shù)據(jù)采集解決方案。如果需要，這類電路可以簡單地復(fù)制，以支持更多電池測量方案，同時共享主微控制器的本地 SPI 端口，該主微控制器反過來再提供外部 CAN 總線或其他 LAN 型數(shù)據(jù)鏈路所需。

　　與前一代監(jiān)視器件相比，LTC6803 的主要改進是，支持電源停機和/或單獨由電池組供電。當(dāng)電源從 V+ 引腳去掉時，電池加載將降至零(僅有 nA 級半導(dǎo)體泄漏)。工作電源可以由接通的電池組電壓提供，或從一個單獨的電源提供給 V+，只要電壓始終至少與電池組一樣高就行。為了實現(xiàn)簡單性，LTC6803 還可以直接從電池組獲取功率，在這種情況下，最低功率狀態(tài)(即備用) 將僅消耗 12uA 電流。LTM2883 數(shù)據(jù)隔離器通過一個內(nèi)部隔離的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，從主處理器供電，因此該器件將自動與主處理器一起斷電。LTM2883 的一個非常有用的功能是，它還能向隔離的電子組件(即電池端) 提供很大和得自主機的功率。一個小型升壓電源功能組件 (圖 2 中的 LT3495-1) 就是這樣驅(qū)動的，以獨立地給 LTC6803 供電，以便電池僅提供 ADC 測量輸入電流 (即在有效轉(zhuǎn)換時平均值 200nA)。該電路具有絕對最低的寄生電池泄漏，同時消除了任何電池的工作電流失配，否則這種失配可能逐步導(dǎo)致電池容量失衡。

　　LTC6803 的一個方便的功能是，有兩個自由的、準(zhǔn)確度與電池輸入類似的 ADC 輸入。這種方便的功能允許用很少的額外電路進行輔助測量，包括溫度、校準(zhǔn)信號或負(fù)載電流測量。一種尤其有用的測量是，用一個門控電阻分壓器測量整個電池組的電壓，實現(xiàn)方法如圖 2 所示 (采用 12:1 的比例，連接到 VTEMP1 輸入)。當(dāng)電路斷電時，相關(guān)的 FET 斷開，這樣對電流的測量就不會不必要地加重電池的負(fù)擔(dān)。既然該端口的濾波可以獨立于電池輸入來定制，那么為了實現(xiàn)精確的充電電流計算所需的、真正高達 200sps 的奈奎斯特 (Nyquist)采樣率是可能的。可以利用對單個電池測量來周期性地對整個電池組的分壓器提供軟件校準(zhǔn)，這樣就不需要價格昂貴的電阻器了。輔助輸入的另一個非常有用的用法是，測量準(zhǔn)確度很高的校準(zhǔn)電源(諸如凌力爾特的 LT6655-3.3，一個準(zhǔn)確度為 0.025% 的基準(zhǔn))，在這種用法中，允許軟件憑借通道至通道的固有匹配，校正其他所有通道。請注意，熱敏電阻器的溫度探頭不必以電池的電位為基準(zhǔn)，這些探頭一般也不需要 12 位的分辨率。這類探頭通常適用于直接與微控制器連接，從而留出高性能 LTC6803 的輔助輸入，以實現(xiàn)要求更加苛刻的功能。

　　總之，在電池管理系統(tǒng)電路中需要考慮的因素有很多，特別是那些決定封裝限制的因素。當(dāng)封裝設(shè)計思想?yún)R聚在一起時，考慮一下也有可能產(chǎn)生機械影響的電子線路與信息流的結(jié)構(gòu)(例如：連接器化和導(dǎo)線數(shù)目) 同樣也是很重要。一旦權(quán)衡過這些因素而且封裝設(shè)計思想成熟之后，只需直接插入一款采用 LTC6803 平臺，一個聲名卓著、可擴展和具成本效益的數(shù)據(jù)采集解決方案便大功告成了。