Cosimo Carriero
ADI公司現(xiàn)場應(yīng)用工程師
摘要
鋰離子(Li-Ion)電池是電動汽車和混合動力汽車的常用儲能方法。這些電池可提供的能量密度在所有現(xiàn)有電池技術(shù)中是非常高的，但是如果要最大限度地提升性能，必須使用電池監(jiān)控系統(tǒng)(BMS)。先進(jìn)的BMS不僅使您能夠從電池組中提取大量的電荷，而且還可以以更安全的方式管理充電和放電循環(huán)，從而延長使用壽命。ADI公司提供種類齊全的BMS器件組合，專注于精度和穩(wěn)健的運(yùn)行。
精確測量電池的充電狀態(tài)(SOC)可以延長電池運(yùn)行時間或減輕重量。精密穩(wěn)定的器件在PCB裝配后無需工廠校準(zhǔn)。長期穩(wěn)定性提高了安全性并可避免保修問題。自我診斷功能有助于達(dá)到合適的汽車安全完整性等級(ASIL)。電池組是充滿電磁干擾(EMI)挑戰(zhàn)的環(huán)境，因此在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信鏈路時要進(jìn)行特別處理，以確保測量芯片與系統(tǒng)控制器之間穩(wěn)健可靠的通信。電纜和連接器是造成電池系統(tǒng)故障的主要原因，因此本文介紹了無線解決方案。無線通信設(shè)計(jì)提高了可靠性并減輕了系統(tǒng)總重量，進(jìn)而增加了每次充電的行駛里程。
簡介
儲能單元必須能夠提供大容量，并且能以可控方式釋放能量。如果不能進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂�，能量的存儲和釋放會�?dǎo)致電池災(zāi)難性故障，并最終引起火災(zāi)。電池可能會由于多種原因而發(fā)生故障，其中大多數(shù)與不當(dāng)使用有關(guān)。故障可能來自機(jī)械應(yīng)力或損壞，以及以深度放電、過度充電、過電流和熱過應(yīng)力等形式表現(xiàn)出的電氣過載。為了盡可能提高效率和安全性，電池監(jiān)控系統(tǒng)必不可少。
BMS的主要功能是通過監(jiān)控以下物理量使電池組中所有單節(jié)電池保持在其安全工作區(qū)域(SOA)中：電池組充電和放電電流、單節(jié)電池電壓以及電池組溫度�；谶@些數(shù)值，不僅可以使電池安全運(yùn)行，而且可以進(jìn)行SOC和健康狀態(tài)(SOH)計(jì)算。
BMS提供的另一個重要功能是電池平衡。在電池組中，可以將單節(jié)電池并聯(lián)或串聯(lián)放置，以達(dá)到所需的容量和工作電壓（高達(dá)1 kV或更高）。電池制造商試圖為電池組提供相同的電池，但這在物理上并不現(xiàn)實(shí)。即使很小的差異也會導(dǎo)致不同的充電或放電電平，而電池組中最弱的電池會嚴(yán)重影響電池組的整體性能。精確的電池平衡是BMS的一項(xiàng)重要功能，它可確保電池系統(tǒng)以其最大容量安全運(yùn)行。
BMS架構(gòu)
電動汽車電池由幾節(jié)電池串聯(lián)組成。一個典型的電池組（具有96節(jié)串聯(lián)電池）以4.2 V充電時會產(chǎn)生超過400 V的總電壓。電池組中的電池節(jié)數(shù)越多，所達(dá)到的電壓就越高。所有電池的充電和放電電流都相同，但是必須對每節(jié)電池上的電壓進(jìn)行監(jiān)控。為了容納高功率汽車系統(tǒng)所需的大量電池，通常將多節(jié)電池分成幾個模塊，并分置于車輛的整個可用空間內(nèi)。典型模塊擁有10到24節(jié)電池，可以采用不同配置進(jìn)行裝配以適合多個車輛平臺。模塊化設(shè)計(jì)可作為大型電池組的基礎(chǔ)。它允許將電池組分置于更大的區(qū)域，從而更有效地利用空間。
ADI公司開發(fā)了一系列電池監(jiān)控器，能夠測量多達(dá)18節(jié)串聯(lián)連接的電池。AD7284可以測量8節(jié)電池，LTC6811可以測量12節(jié)電池，LTC6813則可以測量18節(jié)電池。圖1顯示了一個典型的具有96節(jié)電池的電池組，分為8個模塊，每個模塊12個電池單元。在本示例中，電池監(jiān)控器IC為可測量12節(jié)電池的LTC6811。該IC具有0 V至5 V的電池測量范圍，適合大多數(shù)電池化學(xué)應(yīng)用�？蓪⒍鄠�器件串聯(lián)，以便同時監(jiān)測很長的高壓電池組。該器件包括每節(jié)電池的被動平衡。數(shù)據(jù)在隔離柵兩邊進(jìn)行交換并由系統(tǒng)控制器編譯，該控制器負(fù)責(zé)計(jì)算SOC、控制電池平衡、檢查SOH，并使整個系統(tǒng)保持在安全限制內(nèi)。
圖1.采用LTC6811 12通道測量IC、具有96節(jié)電池的電池組架構(gòu)。
為了在電動汽車/混合動力汽車的高EMI環(huán)境中支持分布式模塊化拓?fù)�，穩(wěn)鍵的通信系統(tǒng)必不可少。隔離CAN總線和ADI的isoSPI™都提供了經(jīng)過驗(yàn)證的解決方案，適合在這種環(huán)境中進(jìn)行模塊互聯(lián)。1盡管CAN總線為在汽車應(yīng)用中互聯(lián)電池模塊提供了完善的網(wǎng)絡(luò)，但它需要許多附加元件。例如，通過LTC6811的isoSPI接口實(shí)現(xiàn)隔離CAN總線需要增加一個CAN收發(fā)器、一個微處理器和一個隔離器。CAN總線的主要缺點(diǎn)是這些額外元件會增加成本和電路板空間。圖2顯示了基于CAN的一種可行架構(gòu)。在這個示例中，所有模塊都并聯(lián)連接。
ADI創(chuàng)新的雙線式isoSPI接口是CAN總線接口的替代方法。1isoSPI接口集成在每個LTC6811中，使用一個簡單的變壓器和一根簡單的雙絞線，而非CAN總線所需的四線。isoSPI接口提供了一個抗噪接口（用于高電平RF信號），利用該接口可以將模塊通過長電纜以菊花鏈形式連接，并以高達(dá)1 Mbps的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行。圖3顯示了基于isoSPI并使用CAN模塊作為網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)。
圖2和圖3所示的兩種架構(gòu)各有利弊。CAN模塊是標(biāo)準(zhǔn)化模塊，可以與其他CAN子系統(tǒng)共享同一總線運(yùn)行；isoSPI接口是專有接口，只能與相同類型的器件進(jìn)行通信。另一方面，isoSPI模塊不需要額外的收發(fā)器和MCU來處理軟件堆棧，從而使解決方案更緊湊、更易于使用。兩種架構(gòu)都需要有線連接，這在現(xiàn)代BMS中具有明顯的缺點(diǎn)，因?yàn)樵诓季�中，導(dǎo)線走線至不同的模塊會成為一個棘手的問題，同時又增加了重量和復(fù)雜性。導(dǎo)線也很容易吸收噪聲，從而需要進(jìn)行額外的濾波。
無線BMS
無線BMS是一種新穎的架構(gòu)，它消除了通信布線。1在無線BMS中，每個模塊的互聯(lián)都通過無線連接方式實(shí)現(xiàn)。大型多節(jié)電池的電池組無線連接的優(yōu)勢是：
- 連線復(fù)雜度更低
- 重量更輕
- Lower cost
- 成本更低
- 安全性和可靠性更高
由于惡劣的EMI環(huán)境以及RF屏蔽金屬構(gòu)成的信號傳播障礙，無線通信成為一個難題。
ADI的SmartMesh®嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用中經(jīng)過了現(xiàn)場驗(yàn)證，可通過運(yùn)用路徑和頻率分集來實(shí)現(xiàn)冗余，從而在工業(yè)、汽車和其他惡劣環(huán)境中提供可靠性超過99.999%的連接。
除了通過創(chuàng)建多個冗余連接點(diǎn)來改善可靠性之外，無線Mesh網(wǎng)絡(luò)還擴(kuò)展了BMS的功能。SmartMesh無線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)電池模塊的靈活放置，并改善了電池SOC和SOH的計(jì)算。這是因?yàn)榭梢詮陌惭b在以前不適合布線之處的傳感器收集更多的數(shù)據(jù)。SmartMesh還提供了來自每個節(jié)點(diǎn)的時間相關(guān)測量結(jié)果，從而可以實(shí)現(xiàn)更加精確的數(shù)據(jù)收集。圖4顯示了有線互聯(lián)和無線互聯(lián)電池模塊的比較。
ADI演示了業(yè)界首款無線汽車BMS概念車，在BMW i3.2車型中整合了LTC6811電池組監(jiān)控器和ADI SmartMesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這是一項(xiàng)重大突破，有望提高電動汽車/混合動力汽車大型多節(jié)電池組的可靠性，并降低成本、重量和布線復(fù)雜性。
圖2.獨(dú)立的CAN模塊并聯(lián)。
圖3.采用CAN網(wǎng)關(guān)的模塊串聯(lián)。
精確測量的重要性
精度是BMS的一個重要特性，對于LiFePO4電池至關(guān)重要。3,4為了了解該特性的重要性，我們考慮圖5中的示例。為了防止過度充電和放電，電池單元應(yīng)保持在滿容量的10%到90%之間。在85 kWh的電池中，可用于正常行駛的容量僅為67.4 kWh。如果測量誤差為5%，為了繼續(xù)安全地進(jìn)行電池運(yùn)行，必須將電池容量保持在15%至85%之間�？偪捎萌萘恳褟�80%減少到了70%。如果將精度提高到1%（對于LiFePO4電池，1 mV的測量誤差相當(dāng)于1%的SOC誤差），那么電池現(xiàn)在可以在滿容量的11%到89%之間運(yùn)行，增加了8%。使用相同的電池和精度更高的BMS，可以增加每次充電的汽車行駛里程。
電路設(shè)計(jì)人員根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的規(guī)格來估算電池測量電路的精度。其他現(xiàn)實(shí)世界的效應(yīng)通常會在測量誤差中占主導(dǎo)地位。影響測量精度的因素包括：
- 初始容差
- 溫度漂移
- 長期漂移
- 濕度
- PCB裝配應(yīng)力
- 噪音抑制
圖4.電池監(jiān)控互聯(lián)方式比較。
圖5.電池充電限制。
完善的技術(shù)必須考慮所有這些因素，才能提供非常出色的性能。IC的測量精度主要受基準(zhǔn)電壓的限制�；鶞�(zhǔn)電壓對機(jī)械應(yīng)力很敏感。PCB焊接期間的熱循環(huán)會產(chǎn)生硅應(yīng)力。濕度是產(chǎn)生硅應(yīng)力的另一個原因，因?yàn)榉庋b會吸收水分。硅應(yīng)力會隨著時間的推移而松弛，從而導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓的長期漂移。
電池測量IC使用帶隙基準(zhǔn)電壓或齊納基準(zhǔn)電壓。IC設(shè)計(jì)人員使用反向擊穿時的NPN發(fā)射極-基極結(jié)作為齊納二極管基準(zhǔn)電壓源。擊穿發(fā)生在芯片表面，因?yàn)槲廴疚锖脱趸瘜与姾稍诖颂幮?yīng)最為明顯。這些結(jié)噪聲高，存在不可預(yù)測的短期和長期漂移。埋入式齊納二極管將結(jié)放置在硅表面下方，遠(yuǎn)離污染物和氧化層的影響。其結(jié)果是齊納二極管具有出色的長期穩(wěn)定性、低噪聲和相對精確的初始容差。因此，齊納二極管基準(zhǔn)電壓源在減輕隨時間變化的現(xiàn)實(shí)世界的效應(yīng)方面表現(xiàn)出眾。
LTC68xx系列使用了實(shí)驗(yàn)室級的齊納二極管基準(zhǔn)電壓源，這是ADI經(jīng)過30多年不斷完善的技術(shù)。圖6顯示了五個典型單元的電池測量IC誤差隨溫度的漂移。在整個汽車級溫度范圍-40°C至+125°C內(nèi)，漂移都小于1 mV。
圖7對比了帶隙基準(zhǔn)電壓源IC和埋入式齊納二極管基準(zhǔn)電壓源IC的長期漂移。初始測量值的誤差校準(zhǔn)為0 mV。通過在30°C下3000小時之后的漂移來預(yù)測十年的測量漂移。該圖片清楚地顯示了隨著時間的推移，齊納二極管基準(zhǔn)電壓源具有更出色的穩(wěn)定性，至少比帶隙基準(zhǔn)電壓源提高5倍。類似的濕度和PCB裝配應(yīng)力測試表明，埋入式齊納二極管的性能比帶隙基準(zhǔn)電壓源更勝一籌。
圖6.LTC6811測量誤差與溫度的關(guān)系。
圖7.埋入式齊納二極管和帶隙基準(zhǔn)電壓源之間的長期漂移比較。
圖8.ADC濾波器的可編程范圍和頻率響應(yīng)。
精度的另一個限制因素是噪聲。由于電動汽車/混合動力汽車中的電機(jī)、功率逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和其他大電流開關(guān)系統(tǒng)會產(chǎn)生電磁干擾，因此汽車電池是面向電子器件非常惡劣的環(huán)境。BMS需要能夠提供高水平的噪聲抑制，才能保持精度。濾波是用來減少無用噪聲的經(jīng)典方法，但它需要在降低噪聲與轉(zhuǎn)換速度之間進(jìn)行權(quán)衡。由于需要轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)碾姵仉妷汉芨�，因此轉(zhuǎn)換時間不能太長。SAR轉(zhuǎn)換器或許是理想選擇，但在多路復(fù)用系統(tǒng)中，速度受到多路復(fù)用信號的建立時間限制。此時，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器則成為有效的替代方案。
ADI的測量IC采用了Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。通過Σ-Δ ADC，可在轉(zhuǎn)換過程中輸入進(jìn)行多次采樣，然后取其平均值。結(jié)果構(gòu)成內(nèi)置低通濾波，從而可消除作為測量誤差源的噪聲；截止頻率由采樣速率確定。LTC6811采用了一個三階Σ-ΔADC，具有可編程采樣速率和八個可選截止頻率。圖8顯示了八個可編程截止頻率的濾波器響應(yīng)。通過對所有12節(jié)電池在290 µs的時間內(nèi)快速完成測量，可實(shí)現(xiàn)出色的降噪效果。大電流注入測試將100 mA的RF噪聲耦合到連接電池與IC的導(dǎo)線中，該測試顯示測量誤差小于3 mV。
電池平衡以優(yōu)化電池容量
即使能精確地制造和選擇電池，它們之間也會顯示出細(xì)微的差異。電池之間任何的容量不匹配都會導(dǎo)致電池組整體容量的減少。
為了更好地理解這一點(diǎn)，我們來考慮一個示例，其中各節(jié)電池保持在滿容量的10%到90%之間。深度放電或過度充電會大大縮短電池的有效使用壽命。因此，BMS提供欠壓保護(hù)(UVP)和過壓保護(hù)(OVP)電路，以幫助防止出現(xiàn)這些情況。當(dāng)容量最低的電池達(dá)到OVP閾值時，將停止充電過程。在這種情況下，其他電池尚未充滿電，并且電池儲能沒有達(dá)到最大允許的容量。同樣，當(dāng)最低充電量的電池達(dá)到UVP限值時，系統(tǒng)停止工作。另外，電池組中仍然有能量可為系統(tǒng)供電，但是出于安全原因，不能繼續(xù)使用電池組。
顯然，電池組中最弱的電池支配著整個電池組的性能。電池平衡是一種通過在電池充滿電時均衡電池之間的電壓和SOC來幫助克服此問題的技術(shù)。5電池平衡技術(shù)有兩種：被動和主動。
使用被動平衡時，如果一節(jié)電池過度充電，就會將多余的電荷耗散到電阻中。通常，采用一個分流電路，該電路由電阻和用作開關(guān)的功率MOSFET組成。當(dāng)電池過度充電時，MOSFET關(guān)斷，將多余的能量耗散到電阻中。LTC6811使用一個內(nèi)置MOSFET來控制各節(jié)電池的充電電流，從而平衡被監(jiān)視的每節(jié)電池。內(nèi)置MOSFET可使設(shè)計(jì)緊湊，并能夠滿足60 mA的電流要求。對于更高的充電電流，可以使用外部MOSFET。該器件還提供了定時器來調(diào)整平衡時間。
耗散技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是低成本和低復(fù)雜度。缺點(diǎn)是能量損耗大并且熱設(shè)計(jì)更復(fù)雜。而另一方面，主動平衡會在模塊的其他電池之間重新分配多余的能量。這樣，可以回收能量并且產(chǎn)生的熱量更低。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是硬件設(shè)計(jì)更復(fù)雜。
圖9.采用主動平衡的12節(jié)電池的電池組模塊。
圖9顯示了采用LT8584實(shí)現(xiàn)的主動平衡。該架構(gòu)通過主動分流充電電流，并將能量返回電池組來解決被動分流平衡器存在的問題。能量并沒有以熱量的形式發(fā)生損耗，而是被重新利用，為電池組中的其余電池充電。該器件的架構(gòu)還解決了一個問題，即當(dāng)電池組中的一節(jié)或多節(jié)電池在整個電池組容量用盡之前就達(dá)到較低安全電壓閾值時，會造成運(yùn)行時間減少。只有主動平衡才能將電荷從強(qiáng)電池重新分配到弱電池。這樣可以使弱電池繼續(xù)為負(fù)載供電，從而可從電池組中提取更高百分比的能量。反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許電荷在電池組內(nèi)任意兩點(diǎn)之間往返。大多數(shù)應(yīng)用將電荷返回到電池模塊（12節(jié)或更多），其他一些應(yīng)用則將電荷返回到整個電池組，還有些應(yīng)用將電荷返回到輔助電源軌。
結(jié)論
低排放車輛的關(guān)鍵是電氣化，但還需要對能源（鋰離子電池）進(jìn)行智能管理。如果管理不當(dāng)，電池組可能會變得不可靠，從而大大降低汽車的安全性。高精度有助于提高電池的性能和使用壽命。主動和被動電池平衡可實(shí)現(xiàn)安全高效的電池管理。分布式電池模塊易于支持，并且將數(shù)據(jù)穩(wěn)定地傳遞到BMS控制器（無論是有線方式還是無線方式）能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的SOC和SOH計(jì)算。
