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用于混合动力/电动汽车的可靠锂离子电池监视系统
凌力尔特公司 Jon Munson

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◆ 引言最新一代高性能锂离子电池提供的性能和成本特性能够最终兑现实用的汽车能量存储承诺。这种技术的迅速采用已经在汽车界触发了一轮前所未有地频繁的设计活动，因为制造商在努力占据有利地位，以抓住在迅速增长的混合动力汽车 (HEV) 和全电动汽车 (EV) 市场出现的商机。锂离子电池应用成功的关键在于性能监视，不仅要计算电量以作为运行衡量标准，还要通过防止可能使电池发生劣化的情况来确保电池组的寿命。尤其是，与其它电池化学材料相比，锂离子电池对过度充电或过度放电的容忍度低得多。结果，就成功的电动/混合动力汽车电池管理系统而言，必须连续监视和平衡单个电池的电压。电池管理系统数据采集电路在高压和热插拔方面的危险带来了巨大的设计挑战，在这种电路中，可能需要测量也许100 个串联连接的电池电压。关键的电池管理系统功能锂离子电池在完全充电时提供一个大约为 4V 的工作电压，在完全放电时则约为 2V。具体的充电和放电电压取决于电池类型，并由电池厂商仔细规定。例如，A123 的 ANR26650M1 2.3Ah 电池通常充电到 3.6V，而且在 1.6V 时就认为没电了。电动/混合动力汽车应用中使用的电池阵列常常配置为提供高达 400V 的电压，一般以大概 100V 或更低电压的模块化组件形式出现。电池组封装分接出每个电池的电压，并将这些信号提供给电池管理系统的数据采集部分。其目标是以高准确度和高分辨率 (典型值为 12位) 测量每个电池的电压以及温度等其它参数。采集电路一般会利用电池检测连接作为局部电源。为了安全，到主处理器的数字信息流必须利用一种基于光、磁或电容的传输方法进行电流隔离。用于锂离子技术的电池管理系统的另一个重要功能是进行电池平衡，以补偿轻微的电池失配并最大限度提高电池组工作寿命。在当前一代电池管理系统设计中，这是通过按需切换电压最高电池上的负载电阻，以无源方式进行的。这种无源方法需要一些热设计，以消除与平衡过程有关的热量浪费。人们设想未来的平衡方法要采用冷却运行、高效率有源开关模式电源转换技术。混合动力和电动汽车电池系统必须设计成在安装之前和在汽车运输或储存时，能承受长期不工作状态。由于这个原因，任何电路模块消耗的空闲功率要远低于电池自放电功率，这是至关重要的，而且要最大限度降低过度放电风险。甚至更重要的是，沿着电池串流动的空闲电流必须很好地匹配，以确保这些电池在储存时不会变得不平衡。电池管理系统架构考虑因素为了跟踪电动汽车/混合动力汽车的负载动态特性，包括放电和再充电工作模式，电池监视电子组件以每秒 50 个采样或更高的速率对所有电池电压采样。这意味着电池组有极大的原始信息流动速率，就一个由 96 个电池组成的电池组而言，负载采样速率也许达到 60kbps。考虑到典型的微处理器功率和其它必需开销，在模块级分配处理工作量而且通过误差标记、其它“预先加工”的充电信息以及高级控制来限制隔离的数据链路中的信息流是有意义的。此外，必须仔细考虑每节电池的摆放，因为在汽车中电池的实际尺寸和重量对可用性和重量分配有实用意义。将电池摆放到模块中可用来在一辆汽车中分配重量，以及提供共性和易操纵性。模块尺寸必须是为电动/混合动力汽车市场而设计的，在这一市场上，较小的尺寸往往会提高成本和束线配线的复杂性。模块化电池组装可能包含一个控制数据采集过程的微处理器和一个坚固的通信接口。数据采集方法在电池组模块内，需要电路系统测量和控制电池电压。因为电池串上每节电池的电压都有一个依次升高的共模电压，典型解决方案是在每节电池上使用一个高质量、高共模差分放大器。这个差分放大器提供一个转换信号，这个信号为由一个模数转换器 (ADC)来数字化做好了准备。差分放大器输入端的高共模电压将是准确度的限制因素。就一个诸如 LT1991A 这样的高性能单片差分放大器而言，典型共模抑制比(CMRR) 为 90dB，而且对大约 50V 的共模输入电压或者大约 12 个锂离子电池的电压而言，可提供 12位性能。这也很好地对应了 LT1991A (最高 60V) 的输入电压能力，因此一个实用设计可以处理一组 12个电池电压的读数。这样的电路系统可以适当地隔离，因此可以重复叠置以如所希望的那样获得更多的电池电压读数。当然，低空闲功率和电池平衡等其它电池管理系统需求也需要大量的附加组件来满足。一种更具成本效益的方法是，采用一个专门为完成这一任务而设计的集成式监视器解决方案。LTC6802 就是这样一个“基本构件”器件，它允许以最少的组件构成电池模块，但满足前面提到的所有电池管理系统性能需求。这个多节电池监视器器件对多达 12 个串联连接的电池电压提供准确的 12 位直接数字化、电池平衡控制和甚至一对用于温度读数或其它参数的附加 ADC 输入。LTC6802 ADC 不像差分放大器电路那样依靠电阻网络，并在每节电池上提供一个一致的轻负载以及在空闲时自动采用一种低功率备用状态以降低功率。一个到本机微处理器的串行外围接口 (SPI) 数字连接构成命令和数据通信途径。LTC6802 集成电路 (IC) 用作一个到微处理器的标准从属 I/O 器件，从而使所有电池管理系统算法都能用软件编码并由开发商独有控制。有一个 LTC6802版本包含一个可以级联的 SPI 端口，从而允许很多“叠置”的电池分组通过微处理器的单一 SPI 端口工作，这进一步降低了模块设计的成本和复杂性。图 1显示了用这种方法实现一个含有很多电池的电动/混合动力汽车用模块基本拓扑。（图片）图 1：由任意节电池组成的电池模块的基本配置电池平衡电路目前这一代电池管理系统设计中的电池平衡是采用无源方式 ((即: 对模块或电池组中具有较多电荷的电池两端的负载电阻进行开关操作) 完成的。均衡电流一般由监视器 IC 外部的晶体管处理。这允许充足的电流并避免可能对准确度造成有害影响的芯片发热问题。图 2 显示了一个与 LTC6802 一起使用的典型电池输入电路，其中包括一个小型 PMOSFET 开关和一个用于平衡的负载电阻以及用于滤波和保护的其它无源组件。电池平衡开关的控制是用一条从微处理器到监视器 IC 的命令实现。为了最大限度提高准确度，该监视器 IC 可以在 ADC 转换时打开电池平衡开关，以确保最大限度减小电池连接中的 I*R 压降，因此确保在测试时准确测量每节电池的电压。在不工作时，监视器 IC 自动打开所有平衡开关，并采用最低功耗状态，以防止意外的电池放电。电池平衡开关还可以通过增加一个与电池输入串联的电阻用于自测试，如图 2 所示。如果开关接通，那么电池电压读数就会显示一个可预测的变化，从而对开关和 ADC 端口功能提供一个验证。不过，这个功能要求电池平衡开关在 ADC 转换时是接通的。LTC6802 已经预料到这种自测试功能，ADC 测量在这些情况下用一条简单的配置命令启动。热插拔的影响将大型电池组连接到电子组件的过程带来了巨大的设计挑战。一般情况下，数据采集电子组件在电池连上之前是不加电的。此外，电池到电子组件的连接需要大量接触点，通常跨很多单个连接器。结果是，在热插拔情况下连接可能随机发生。随着电容充电，这也许形成异常的浪涌电流通路，尤其是图2所示的滤波器电容。尽管一般情况下 IC 包含内部保护结构，以防止处理和组装引起损坏，但是这些结构不是用来管理与外部电容有关的大量能量，而且片外保护需谨慎实施。图2显示了对开关和 IC 的几种层次的保护。（图片）图2：LTC6802的电池平衡电路具保护功能（仅显示用于一个电池的电路系统）为了防止电池输入之间的能量压差，可以在每个电池输入上增加标准 6.2V/500mW 齐纳二极管。这些二极管在电池连接过程中接触点连接时，会自动在缺失的输入上分配安全电压。它们还携带 RC 滤波器部分所需的瞬态电流。选择 6.2V 额定值的齐纳二极管，是因为其电压足够高以最大限度减小电池漏电流，将其降至几微安，同时其电压又足够低以保护IC。随着电路加电，某些连接序列可能在滤波器电阻上引起高的瞬时电压。这种电压大部分会加在相联MOSFET 的栅源之间。由于这个原因，建议与每个MOSFET 的箝位保护一起使用一个串联栅极电阻，如3.3kΩ。箝位保护通常在晶体管封装内部，但是如果内部没有，那么一个分立的齐纳二极管可以提供这种保护。在这种情况下，应该选择栅极齐纳电压以防止超过 MOSFET 的 VGS 规格。在图 2 中，选择该二极管与所提及 MOSFET 的 VGS 额定值匹配。栅极电阻将栅极齐纳二极管和 IC 开关控制引脚之间的瞬态电流限制到一个安全水平，同时仍然确保一个快速的栅极控制响应。基准设计细节图3显示了一组 12 个串联连接的锂离子电池与LTC6802-1 监视器 IC 连接的完整原理图。具有更多节电池的电池模块可以按需复制这个电路，加上一个微处理器和/或隔离的数据收发器。有更多节电池的模块中使用的追加 IC 只是级联它们的 SPI 连接。LTC6802 独一无二的电平移位架构是可配置的，以使普通电压模式 SPI 信号可直接与一个微处理器通信。就 IC 之间的通信而言，这些级联器件配置为用一个电流模式 SPI 信号工作。LTC6802 可用少至 4 节电池工作，以支持各种不同的电池模块排列架构。（图片）图3：具电池平衡和保护电路的完整 12 个电池监视器电路这个原理图还显示了如何对待数据端口以提供坚固的可靠性，以免受到启动浪涌以及在汽车使用时可能发生ESD 事件的影响。低端的 SPI 端口使用一个标准和面向总线的浪涌抑制器，该抑制器像低电容齐纳二极管那样提供逻辑电压箝位。图中所示的串联电阻保护浪涌抑制器免受短暂过载的影响，但是如果发生一个持续和需要能量的故障，串联电阻会安全地无法开路。在高端的 SPI 端口处显示了一种不同的处理方式，正的过载由肖特基二极管箝位到最高端的电池连接，负的过载由 600V 二极管隔离。负的过载情况设计为无害的，因为在模块集成到汽车中的组装或服务阶段，这是相对可能出现的情况，在这种情况下，模块电压的叠置也许是断续的。这里，串联电阻器限制了端口电流, 并在发生严重故障时变成牺牲元件。 LTC6802 还提供其它一些有用的功能，这些功能简化诸如板上 5V 串联稳压器、通用 ADC 输入、通用数字输入和输出 (GPIO) 等模块电路系统。例如，GPIO 可以用作多路复用器控制，以将两个 ADC输入扩展到 8 个通道的容量。为了确保IC 恰当工作，提供一个开漏输出监视器定时器，以指示通信的空闲期。结论随着 LTC6802 电池监视平台的出现，高质量锂离子电池数据采集和电池平衡控制的成本和复杂性极大地降低。这个集成的解决方案极大地减少了器件数量，改善了固有的可靠性，并在最新的电池管理系统中紧凑地实现了丰富的功能。此外，保护机制的恰当应用可以在难以应付的电动/混合动力汽车的高能量电源环境中提供可靠的运作。 11/3/2011


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