引言
就混合動力汽車(HEV)和電動汽車(EV)而言，使用鋰離子電池，可在功率、能量密度、效率和環(huán)境影響之間取得最佳平衡。但同時，鋰離子電池也是易損壞和危險的，而汽車環(huán)境又相當棘手、難以應付。混合動力汽車和電動汽車的電子產(chǎn)品面臨的挑戰(zhàn)是，彌補要求苛刻的汽車環(huán)境和電池敏感性之間的差距。汽車環(huán)境的苛刻和電池的敏感堪稱地獄中的絕配。
考慮到汽車對能量、功率和環(huán)境的要求，安全、可靠地使用大型鋰離子電池組絕對不是一個簡單的任務。鋰離子電池以滿充電狀態(tài)或滿放電狀態(tài)工作時，容量會降低。考慮到循環(huán)往復的充電、組與組之間的差別和不同的環(huán)境條件，每節(jié)電池的容量都會隨著時間推移而降低并產(chǎn)生偏離。因此，電池組要實現(xiàn)15年、5000個充電周期的目標，每節(jié)電池都必須保持在有限的工作范圍內(nèi)工作。通過控制每節(jié)鋰離子電池的充電狀態(tài)(SOC)，可以最大限度地提高電池組的容量，同時最大限度地減輕容量的降低。確保高效率、安全地使用汽車電池組，是電池管理系統(tǒng)(BMS)的責任。
電池管理系統(tǒng)的任務是，仔細跟蹤和控制每節(jié)電池的充電狀態(tài)1。電池管理系統(tǒng)的測量準確度至關重要，因為它決定了每節(jié)電池能多么靠近其可靠充電狀態(tài)范圍的邊緣工作。最大限度地提高可用容量的能力決定了所需的電池數(shù)量，而電池數(shù)量對成本和重量有很大的影響。準確地測量每節(jié)電池的電壓相當困難，因為電池組中的電池易受高共模電壓和高頻噪聲的影響。為了理解這一點，我們想想以下事實：電動汽車/混合動力汽車的電池組通常電壓非常高，由100至200個串聯(lián)連接的電池組成。這類電池組必須提供可能超過 200A的快速充電和放電電流，在電池組的頂端，電壓瞬態(tài)有可能超過100V。
對成本和可靠性的關注導致汽車電子產(chǎn)品向集成度更高、組件數(shù)更少的方向發(fā)展。在高度復雜的電池管理系統(tǒng)中，這種趨勢尤其明顯，在這類系統(tǒng)中，我們看到，諸如凌力爾特 LTC6802這類電池監(jiān)視IC已經(jīng)出現(xiàn)。在新式電池管理系統(tǒng)中，這類高度集成的器件是關鍵的數(shù)據(jù)采集組件，與之前的分立式解決方案相比，這類器件降低了成本、減少了所需占用的空間和組件數(shù)。電池監(jiān)視器的主要功能是，直接測量串聯(lián)連接電池的電壓，典型情況下每個IC監(jiān)視12個通道。這類IC中還包括電池容量平衡控制和額外的測量輸入 (如用于溫度的輸入)。為了應對高壓電池組，這類器件一般設計為通過菊花鏈式串行接口相互通信。在電池管理系統(tǒng)中，有一個組成部分一般不可能成功集成到電池監(jiān)視IC中，那就是嵌入式軟件。充電狀態(tài)算法是受到嚴密保護的技術，是特定于化學組成、尺寸、外形、工作條件和應用的。就新式高壓、大功率電池組而言，現(xiàn)成有售的算法不可能有用，嵌入式軟件使故障機制影響分析 (FMEA) 變得復雜了，在使用嵌入式軟件的情況下，系統(tǒng)設計師無法進行直接控制。圖1說明了由任意節(jié)電池組成的電池模塊的基本配置，其中電池組管理系統(tǒng)的算法是軟件編碼的，并由開發(fā)商獨家控制。
圖1：由很多節(jié)電池組成的電動汽車/混合動力汽車電池模塊的基本拓撲
電池監(jiān)視IC的一個關鍵考慮因素是，怎樣處理將遇到的汽車噪聲。例如，很多電池監(jiān)視器使用快速SAR轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)電池的數(shù)字化，在超過100個通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，這似乎是有利的。然而，汽車環(huán)境是有噪聲的，需要進行大量的濾波，而且這種濾波決定有效吞吐量，而不是采樣率。由于這個原因，增量累加(DS)ADC比SAR轉(zhuǎn)換器有優(yōu)勢。就給定的10kHz 噪聲抑制量而言，每秒1000次采樣的DS ADC提供的吞吐量與每秒100萬次采樣的SAR ADC提供的吞吐量相同。例如，LTC6802采用一個每秒1000次采樣的DS ADC，該ADC在10ms時間內(nèi)可順序?qū)?0個輸入通道采樣。內(nèi)置的線性相位數(shù)字濾波器對10kHz開關噪聲提供36dB的抑制。要在10kHz時獲得相同的噪聲抑制，每秒100萬次采樣的SAR轉(zhuǎn)換器在每節(jié)電池上都需要一個轉(zhuǎn)角頻率為160Hz的單極性RC濾波器 (參見圖2)。RC濾波器的12位穩(wěn)定時間為8.4ms，即使SAR ADC能在10μs時間內(nèi)順序?qū)?0個通道采樣，由于濾波器的響應，每8.4 ms超過1 次的掃描也是沒有意義的。
圖2：增量累加轉(zhuǎn)換器和采用RC電路的SAR轉(zhuǎn)換器的比較增量累加轉(zhuǎn)換器以更好的濾波性能提供同樣的有效吞吐量
1充電狀態(tài)控制要求電池容量平衡。通過有選擇地給一些電池放電或移走電荷，可以實現(xiàn)電池容量平衡，從而使電池電壓保持匹配，并處于特定范圍之內(nèi)。
在一長串電池監(jiān)視IC的情況下，串行接口也是一個重要的考慮因素，凌力爾特提供兩種截然不同的選擇。一種選擇 (也是大多數(shù)電池監(jiān)視IC所支持的) 是菊花鏈式接口。采用菊花鏈式接口時，無需光耦合器或隔離器，鏈中每個IC就可與相鄰IC通信，只留下底部的器件與單個微處理器或控制單元連接。此外，凌力爾特還提供第二種選擇，即采用單獨可尋址的串行接口。采用這種接口，單個微控制器通過隔離與多個并聯(lián)器件通信。這種拓撲提供本身更加可靠的“星形配置”，因為失去與一個器件的通信不會隔斷與其他任何器件的通信。可尋址器件還可用在經(jīng)過修改的菊花鏈式拓撲中，在這種拓撲中，相對昂貴的隔離器已經(jīng)成為過去，取而代之的是不那么昂貴的“晶體管化”SPI總線配置。結(jié)果是具有極寬兼容范圍的串行接口。
經(jīng)過兩年的生產(chǎn)并基于經(jīng)過實踐檢驗的設計，凌力爾特推出了第二代器件。比較第一代和第二代器件，可以對未來高壓電池系統(tǒng)的發(fā)展方向有一些深入的了解。LTC6803的主要目標之一是，即使在最極端的噪聲情況下，也能確保無差錯通信。 對所有命令和數(shù)據(jù)都進行包誤差檢測，以確保通信完整性。LTC6803系列繼續(xù)支持菊花鏈式和單獨可尋址串行通信，同時LTC6803菊花鏈能承受超過20V的AC噪聲和30V的快速開關尖峰，而不會產(chǎn)生誤差(圖3)。
圖3：第二代菊花鏈可抵抗強噪聲
LTC6803有獨立的電源輸入，該輸入可斷接，同時其他連接保持完好無損(圖 4a)。在這種硬件停機情況下，LTC6803僅吸取幾nA的電流。這對電池組的長期儲存很重要，因為集成的電池管理系統(tǒng)消耗的電流有可能使電池組中的電池容量失衡。LTC6803還可以用一個獨立的電源工作，從而允許從一個單獨的電源而不是電池組吸取電源電流，如圖4b所示。該器件還允許使用簡單的斷電功能。此外，采用單獨的電源時，即使所有電池的電壓都已急劇下降 (在使用超級電容器和燃料電池時可能出現(xiàn))，LTC6803仍可繼續(xù)監(jiān)視大量電池。圖4c說明了擁有獨立電源輸入的優(yōu)點。
汽車中的電子產(chǎn)品日益增多，這促使產(chǎn)生了有關汽車電子產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的新標準。因此，出現(xiàn)了諸如AEC Q100、ISO 26262等汽車電子產(chǎn)品標準。這些標準轉(zhuǎn)化成了廣泛的限定條件和內(nèi)部功能，以確保滿足系統(tǒng)安全要求。例如，LTC6803是與ISO 26262兼容的系統(tǒng)。ISO 26262是一個實用的安全標準，定義了汽車系統(tǒng)的安全要求，并對系統(tǒng)級設計問題產(chǎn)生影響，如冗余度、網(wǎng)絡配置、數(shù)據(jù)收集、傳感器，等等。LTC6803內(nèi)置了導線開路檢測、數(shù)字濾波器檢查、多路復用器解碼器檢查功能以及看門狗定時器和一個備用電壓基準，以實現(xiàn)全面的自測試能力。
圖5：LTC6803的內(nèi)部自測試功能
LTC6803中還包括很多其他改進，以滿足標準汽車設計之外的需求。例如，LTC6803提供擴展的-300mV至5V測量范圍，該范圍支持超級電容器和鎳氫金屬電池。LTC6803完全規(guī)格在-40℃至125℃的溫度范圍內(nèi)工作，LTC6803還設計成能承受高達75V的電源電壓，以提供超過20%的過壓裕度。
汽車環(huán)境對電子產(chǎn)品而言非常嚴酷，然而汽車的日益電氣化也是無可辯駁的事實。電動汽車和混合動力汽車中的鋰離子電池系統(tǒng)不久就將成為主流，而諸如LTC6803等尖端測量器件是鋰離子電池系統(tǒng)取得成功所必不可少的。不僅需要這類器件來實現(xiàn)準確測量，而且這些器件必須能在非常艱難的條件下長期可靠工作。今天，凌力爾特的LTC6802已經(jīng)通過跑在路上的汽車證明，上述看法是正確的。毫無疑問，在明天的汽車市場上，LTC6803無疑將繼續(xù)LTC6802的輝煌。