凌力爾特公司 信號調(diào)理產(chǎn)品 設(shè)計經(jīng)理 Mike Kultgen

 

混合動力電動型汽車電池中的電子組件是提高性能和安全性的關(guān)鍵。在集成電路設(shè)計領(lǐng)域的新技術(shù)使電池組設(shè)計師能進一步提高鋰離子電池的性能。更高的測量準確度、更堅固的數(shù)據(jù)鏈路和電池容量的主動電荷平衡都幫助實現(xiàn)了更低的成本、更長的行駛周期和更快的充電。

 

典型的電池組方框圖 (圖 1) 由幾組串聯(lián)連接的鋰離子電池組成，它們的測量和平衡由高壓模擬集成電路完成。這些模擬前端 (AFE) IC 執(zhí)行艱難的測量每節(jié)電池電壓、電流和溫度的任務(wù)，并向控制電路傳遞數(shù)據(jù)。控制器運用電池數(shù)據(jù)計算電池組的電荷狀態(tài)和健康狀態(tài)。控制器可能命令前端 IC 給某些電池充電或放電，以在電池組內(nèi)保持平衡的電荷狀態(tài)。

 

 

圖 1：電池組方框圖

 

更高的準確度意味著更低的成本

模擬前端 IC的測量準確度對系統(tǒng)成本有直接影響。需要準確的測量以實現(xiàn)有用的電荷狀態(tài) (SOC) 計算。為了實現(xiàn)長壽命，電池組一般在 20% 至 80% 的 SOC 之間工作。如果在 SOC 計算中有 5% 的不確定性，那么電池組的尺寸就必須增大 5%，這導致電池的成本顯著增大。給一個 16kW-hr 電池組增加 5% 的容量，需要約 360 歐元 (460 美元)。改進 SOC 計算以實現(xiàn) 1% 的誤差意味著，每個電池組能節(jié)省約 300 歐元 (385 美元)。

 

電池電壓測量是 SOC 算法的關(guān)鍵要素。當測量 3.3V LiFePO4 (磷酸鐵鋰) 電池時，IC 電源和電池組開發(fā)人員都集中采用總測量誤差 1mV 的規(guī)格。

 

對于諸如售價 480 歐元 (615 美元) 的 Fluke-289 手持式萬用表等實驗室設(shè)備，測量 3.3V 至 1mV 以內(nèi)的電壓是司空見慣的。AFE IC 必須以 1/100 的成本提供相同的性能，并在汽車環(huán)境中連續(xù)工作 15 個年。只有為數(shù)不多的 IC 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標。

 

真實世界中的準確度

什么樣的 IC 技術(shù)較適合電池測量呢? 答案可從圖 2 (典型 AFE IC 的方框圖) 的誤差分析獲得。12 個串接電池之一由多路復用器 (MUX) 模塊來選擇。通過閉合“S”開關(guān)把電池電壓存儲在一個電容器上。斷開“S”開關(guān)，然后閉合“T”開關(guān)。電池兩端的電壓將轉(zhuǎn)移至 ADC。這種“飛跨電容器”方案消除了頂端電池 33V 的大共模電壓，并保持了 3.3V 的差分電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 將電池電壓與其電壓基準進行比較，并產(chǎn)生一個與 VCELL 和 VREF 之比成比例的數(shù)字結(jié)果。

 

圖 2：典型模擬前端 (AFE) IC

 

如果開關(guān)的阻抗太大，無法在很短的采樣時間內(nèi)給電容器充電，那么 MUX 和飛跨電容器就可能引入測量誤差。細致的開關(guān)電容器設(shè)計可消除這個誤差項。

 

由 ADC 進行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換還可能由于組件失配而引入誤差。其次，細致的設(shè)計與組件微調(diào)相結(jié)合，可降低 ADC 引起的誤差。

 

AFE IC 的基本限制來自電壓基準

假如電壓基準下降了 1%，則所有的讀數(shù)都將增加1%。電壓基準是由某種物理量產(chǎn)生的，可以是反向偏置 PN 結(jié)的雪崩擊穿 (一個齊納基準)、兩個基極-發(fā)射極電壓之差 (一個帶隙基準)、或一個電容器上存儲的電荷 (一個 EPROM 基準)。每個 AFE IC 在生產(chǎn)中都進行了微調(diào)，以使電壓基準的初始值非常準確。不幸的是，視 IC 技術(shù)的不同而不同，電壓基準可能隨著時間、溫度、濕度和印刷電路板 (PCB) 組裝應力的不同而產(chǎn)生極大的變化。這導致一些 IC 廠商只提出“典型”準確度，而關(guān)于 AFE IC 在真實世界中會怎樣表現(xiàn)則未提供指導。

 

要在嚴酷的汽車環(huán)境中運行，較佳技術(shù)是齊納基準。數(shù)年來，凌力爾特新的 LTC6804 AFE 電池組監(jiān)視器 IC 運用齊納電壓基準技術(shù)，以保持優(yōu)于所需的準確度。LTC6804 比前一代產(chǎn)品有了顯著改進，前一代產(chǎn)品依靠帶隙電壓基準。例如，考慮 PCB 組裝所產(chǎn)生的應力。AFE IC 在焊接過程中會遭受幾種熱沖擊。在塑料封裝和銅引線框架的膨脹和收縮過程中，芯片會經(jīng)受機械應力。帶隙基準的表現(xiàn)就像一個應變計，將機械應力轉(zhuǎn)換成基準電壓的變化。電壓基準的任何變化都會直接降低電池測量的準確度。PCB 組件應力的影響示于圖 3，在熱沖擊之前和之后對 10 個 AFE IC (3 種類型) 進行了測量。基準漂移以電池測量誤差 (單位是 mV) 來表示 (假設(shè)采用的是一個 3.3V 電池)。

 

 

 

 

圖 3：生產(chǎn)之后的測量誤差。由于真實世界因素 (a) PCB 組裝應力、 (b) 濕度變化、 (c) 所測得的基準漂移和 (d) 估計的長期基準漂移而產(chǎn)生的 3.3V 電池測量誤差。

 

濕度是另一個考慮因素。潮氣滲進塑料封裝，并改變機械應力。對應力敏感的基準會出現(xiàn)電壓變化。較后，還有長期漂移。在 IC 封裝組裝過程中，芯片會受到應力。這種應力隨著時間推移而緩慢釋放，導致基準產(chǎn)生變化。在運行數(shù)千小時以后，這種影響會減小，這就是長期漂移規(guī)定以 ppm/√kHr 為單位的原因。圖 3 顯示了 3000 小時以后所測得的漂移以及預計 15 年以后的漂移。

 

總之，提高電池測量準確度可提高性能。就真實世界應用的測量準確度而言，采用齊納電壓基準的 AFE IC 是較佳技術(shù)，正如圖 3 中的產(chǎn)品比較所示。

 

新的隔離式數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)模塊化電池組

電池組設(shè)計師受到激勵開發(fā)模塊化系統(tǒng)。16kW-hr 的電池也許不便于放入汽車內(nèi)的單個艙中。此外，為了經(jīng)濟的適用性和保修，8,000 歐元 (10,235 美元) 的電池組可以分成小的模塊。而且，單個模塊化電池組設(shè)計可以擴大或縮小，以滿足很多不同汽車平臺的需求。

 

倘若把一個大型電池組拆分成若干個較小的模塊，則會使電氣連接的設(shè)計變得復雜化。在電池模塊和控制電路之間傳輸數(shù)據(jù)需要一個線束。線束將遭受嚴重的電磁干擾 (EMI)。必須仔細注意數(shù)據(jù)通信硬件和軟件。AFE IC 領(lǐng)域的新發(fā)明可以極大地降低數(shù)據(jù)通信的成本，同時保護電池組免受 EMI 影響。

 

2012 年生產(chǎn)具備模塊化電池組的汽車一般采用結(jié)合的 CAN (控制器局域網(wǎng)) 通信和數(shù)字隔離器，如圖 4 所示。CAN 用兩條導線提供堅固的通信。一個小型微處理器 (MPU) 將數(shù)據(jù)從 CAN 協(xié)議轉(zhuǎn)換到 AFE IC 更簡單的 SPI 或 I2C 協(xié)議。模塊之間的隔離由一個數(shù)字隔離器 IC 提供，這有時需要一個隔離式電源。CAN 收發(fā)器、MPU 和隔離器 IC 合起來的成本大約為 3.5 歐元 (4.50 美元)。

 

圖 4：運用 CAN 的隔離式數(shù)據(jù)通信

 

新的 LTC6804 AFE IC 消除了 CAN 的成本和軟件復雜性問題，同時在模塊之間提供堅固和隔離式兩線數(shù)據(jù)傳送。圖 5 顯示，用 LTC6804 的 isoSPI 端口與一個簡單的脈沖變壓器相結(jié)合，實現(xiàn)了電池模塊的互連。另一種凌力爾特 IC 是 LTC6820 隔離式 SPI 接口 IC，將任何微處理器的 SPI端口連接到 isoSPI 總線。來自微處理器的時鐘、數(shù)據(jù)和芯片選擇信號由 LTC6820 編碼成不同的脈沖。LTC6804 將這些脈沖解碼回時鐘、數(shù)據(jù)和芯片選擇信號。微處理器將 LTC6804 AFE IC 看作一個簡單的 SPI 外圍設(shè)備。透明的 isoSPI 總線提供電流隔離和抵抗 EMI 的能力。

 

圖 5：運用 isoSPI 實現(xiàn)的隔離式數(shù)據(jù)通信

 

isoSPI 脈沖的信號強度和兩線連接的阻抗是可調(diào)的。通過改變電阻器的值 (未顯示)，用戶可以提高信號電流。這種靈活性意味著，isoSPI 總線可以定制以通過 100 米電纜通信并抑制高干擾電平。LTC6804 AFE IC 包括 15 位循環(huán)冗余校驗 (CRC)，以確保數(shù)據(jù)的完整性。圖 6 說明了大電流注入 (BCI) 測試的結(jié)果。BCI 測量一個系統(tǒng)的抗電磁干擾性。RF 能量通過夾在電纜的探頭注入。另一個探頭測量所產(chǎn)生的 RF 電流。數(shù)據(jù)包通過電纜發(fā)送，CRC 用來查看是否有數(shù)據(jù)損壞。采用幾種不同的 isoSPI 數(shù)據(jù)脈沖強度來重復測試。20mA isoSPI 數(shù)據(jù)脈沖不受 200mA RF 注入的影響。

 

 

圖 6：isoSPI 抗 RF 干擾能力

 

主動電荷平衡加速充電并增大能量

所有串聯(lián)連接的電池都需要平衡。一節(jié)電池到另一節(jié)電池的自放電速率、電子負載和溫度都不同。經(jīng)過很多充電和放電周期后，這些差別導致電池電荷狀態(tài)出現(xiàn)不容忽視的不平衡。電荷不平衡會降低電池組容量。例如，如果一節(jié)電池的電量比其他電池多 10%，這時給電池組加上充電電流，那么這節(jié)電池就會達到 80% 的充電狀態(tài)限制，而其他電池則充電到 70%。電池組中的可用電量減少了 10%。被動平衡通過一個負載電阻器消耗單節(jié)電池的電量，對于在串聯(lián)連接的電池組中平衡失配電池而言，這是成本較低和較簡單的方式。大多數(shù) AFE IC 都支持被動平衡。

 

被動平衡能效低且速度慢。典型的平衡電流范圍為電池容量的 1% 至 5%。要從一個 40A-hr 的電池消耗 10% 的電量，在 I = 400mA 時需要 10 個小時，或者在 I = 2A 時產(chǎn)生 8W 的熱量。很多電池都可能需要平衡。就大容量電池組而言，被動平衡器產(chǎn)生的熱量是不可接受的，而高效率、大電流主動電荷平衡器是惟一可行的解決方案。

 

主動電荷平衡不僅能以更低的熱量加速充電，而且有助于恢復容量。電池隨著老化容量會下降。由于電池組的溫度變化率和電池制造差異，隨著時間推移，電池會有不同程度的老化。電池甚至有可能在維修時被替換。在采用被動平衡方式時，電池組的容量由較薄弱的一節(jié)電池決定。平衡電池組并充電至 80%。當較薄弱的電池達到 20% 時，電池組的放電就停止了。正確設(shè)計的主動電荷平衡系統(tǒng)將按照需要，高效率地在整個電池組中重新分配電荷，并基于平均容量的電池而不是較低容量的電池確保達到 20% 和 80% 狀態(tài)。為了較大限度地延長電池組的運行時間，在電池組的充電和放電過程中，都必須對電池加以平衡。 

 

LTC3300 和 LT8584 等的新 IC 將在汽車電池組中實現(xiàn)主動電荷平衡。LTC3300 (圖 7) 為滿足大型電池系統(tǒng)的雙向主動平衡需求而設(shè)計。

 

圖 7：采用 LTC6804 和 LTC3300 的監(jiān)視器和主動電荷平衡解決方案

 

這采用了一種非隔離型同步反激式拓撲，一次較多可對 12 個或更多鄰接電池中的 6 個電池進行電荷平衡。平衡電流可能高達 10A。通過將每個反激式變壓器的副端交錯連接，電荷可從一個由 12 節(jié)電池組成的模塊傳送至一個模塊。可實現(xiàn)非常高的傳送效率 (> 92%)，而且就典型的電池至電池失配情況而言，可以實現(xiàn)非常高的容量恢復 (> 80%)。LT3300 可以通過 LTC6804 上的串行端口來控制。這兩個 IC 建立了準確和易于使用的電池監(jiān)視器和平衡系統(tǒng)。

 

LT8584 (圖 8) 單片反激式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器用單向拓撲實現(xiàn)了主動平衡。這種單向方式有一個優(yōu)勢，即從一個給定電池向整個電池組重新分配電荷，從而提供高效率電池放電。這種拓撲可能僅在放電方向移動電荷，因此對給定電池的“充電”會比雙向方式的效率低。集成的 6A 電源開關(guān)支持 2.5A 平均平衡電流。LT8584 還可以測量平衡電流、芯片溫度和電纜電阻。LT8584 直接連接到 LTC6804 AFE IC，實現(xiàn)了又一個易于使用兩個 IC 來監(jiān)視和平衡的方案。

 

圖 8：采用 LTC6804 和 LT8584 的監(jiān)視器和主動電荷平衡解決方案

 

新的 IC 提高性能并降低成本

LTC6804 等測量 IC 提供有保證的測量準確度和長期穩(wěn)定性，因此電池組可從每節(jié)電池抽取較多能量。sioSPI 等簡單的隔離式兩線通信方案較大限度地降低了組件成本，并提供抗電磁干擾能力。LTC3300 和 LT8584 主動電荷平衡 IC 加速充電，并較大限度地提高電池容量。這些令人振奮的新 IC 是較先進和面向新一代 (混合) 電動型汽車電池組的產(chǎn)品。