用电子组件提高电动型汽车的电池性能 汽车电池, 混合动力, 产品设计, 电子, 经理

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关键词： 电动汽车 , 电池 , 充电

凌力尔特公司信号调理产品设计经理 Mike Kultgen 混合动力电动型汽车电池中的电子组件是提高性能和安全性的关键。在集成电路设计领域的新技术使电池组设计师能进一步提高锂离子电池的性能。更高的测量准确度、更坚固的数据链路和电池容量的主动电荷平衡都帮助实现了更低的成本、更长的行驶周期和更快的充电。 典型的电池组方框图 (图 1) 由几组串联连接的锂离子电池组成，它们的测量和平衡由高压模拟集成电路完成。这些模拟前端 (AFE) IC 执行艰难的测量每节电池电压、电流和温度的任务，并向控制电路传递数据。控制器运用电池数据计算电池组的电荷状态和健康状态。控制器可能命令前端 IC 给某些电池充电或放电，以在电池组内保持平衡的电荷状态。 图 1：电池组方框图 BATTERY PACK：电池组 DATA PORT：数据端口 CONTROLLER：控制器 State of Charge：电荷状态 State of Health：健康状态 System Safety：系统安全 DATA BUS：数据总线 ISOLATION BARRIER：隔离势垒 AFE IC：模拟前端 (AFE) IC MEASURE & BALANCE：测量与平衡 12 SERIES LI-ION CELLS：12 节串联的锂离子电池 更高的准确度意味着更低的成本 模拟前端 IC的测量准确度对系统成本有直接影响。需要准确的测量以实现有用的电荷状态 (SOC) 计算。为了实现长寿命，电池组一般在 20% 至 80% 的 SOC 之间工作。如果在 SOC 计算中有 5% 的不确定性，那么电池组的尺寸就必须增大 5%，这导致电池的成本显著增大。给一个 16kW-hr 电池组增加 5% 的容量，需要约 360 欧元 (460 美元)。改进 SOC 计算以实现 1% 的误差意味着，每个电池组能节省约 300 欧元 (385 美元)。 电池电压测量是 SOC 算法的关键要素。当测量 3.3V LiFePO4 (磷酸铁锂) 电池时，IC 电源和电池组开发人员都集中采用总测量误差 1mV 的规格。 对于诸如售价 480 欧元 (615 美元) 的 Fluke-289 手持式万用表等实验室设备，测量 3.3V 至 1mV 以内的电压是司空见惯的。AFE IC 必须以 1/100 的成本提供相同的性能，并在汽车环境中连续工作 15 个年。只有为数不多的 IC 技术能够实现这一目标。 真实世界中的准确度 什么样的 IC 技术最适合电池测量呢? 答案可从图 2 (典型 AFE IC 的方框图) 的误差分析获得。12 个串接电池之一由多路复用器 (MUX) 模块来选择。通过闭合“S”开关把电池电压存储在一个电容器上。断开“S”开关，然后闭合“T”开关。电池两端的电压将转移至 ADC。这种“飞跨电容器”方案消除了顶端电池 33V 的大共模电压，并保持了 3.3V 的差分电压。模数转换器 (ADC) 将电池电压与其电压基准进行比较，并产生一个与 VCELL 和 VREF 之比成比例的数字结果。 图 2：典型模拟前端 (AFE) IC DATA I/O：数据 I/O VOLTAGE REFERENCE：电压基准 如果开关的阻抗太大，无法在很短的采样时间内给电容器充电，那么 MUX 和飞跨电容器就可能引入测量误差。细致的开关电容器设计可消除这个误差项。 由 ADC 进行从模拟到数字的转换还可能由于组件失配而引入误差。其次，细致的设计与组件微调相结合，可降低 ADC 引起的误差。 AFE IC 的基本限制来自电压基准 假如电压基准下降了 1%，则所有的读数都将增加1%。电压基准是由某种物理量产生的，可以是反向偏置 PN 结的雪崩击穿 (一个齐纳基准)、两个基极-发射极电压之差 (一个带隙基准)、或一个电容器上存储的电荷 (一个 EPROM 基准)。每个 AFE IC 在生产中都进行了微调，以使电压基准的初始值非常准确。不幸的是，视 IC 技术的不同而不同，电压基准可能随着时间、温度、湿度和印刷电路板 (PCB) 组装应力的不同而产生极大的变化。这导致一些 IC 厂商只提出“典型”准确度，而关于 AFE IC 在真实世界中会怎样表现则未提供指导。 要在严酷的汽车环境中运行，最佳技术是齐纳基准。数年来，凌力尔特新的 LTC6804 AFE 电池组监视器 IC 运用齐纳电压基准技术，以保持优于所需的准确度。LTC6804 比前一代产品有了显著改进，前一代产品依靠带隙电压基准。例如，考虑 PCB 组装所产生的应力。AFE IC 在焊接过程中会遭受几种热冲击。在塑料封装和铜引线框架的膨胀和收缩过程中，芯片会经受机械应力。带隙基准的表现就像一个应变计，将机械应力转换成基准电压的变化。电压基准的任何变化都会直接降低电池测量的准确度。PCB 组件应力的影响示于图 3，在热冲击之前和之后对 10 个 AFE IC (3 种类型) 进行了测量。基准漂移以电池测量误差 (单位是 mV) 来表示 (假设采用的是一个 3.3V 电池)。 mV of additional measurement error due to PCB assembly 由于 PCB 组装而产生的额外测量误差 (单位 mV) Number of units out of 10:  从10 个单元的数量 Competitor :  竞争对手的器件 Hours in the tes chamber with, then without a cup of water 在有、然后是没有一杯水的测量室中的时间 (小时) mV of additiaonl measurement error due to humidity 由于湿度而产生的额外测量误差 (单位 mV) Competitor : 竞争对手的器件 Years of Operation : 工作年限 mV of additional measurement error due to long term reference drift 由于长期基准漂移而产生的额外测量误差 (单位 mV) LTC6802 Worst Case Measured bandgap Drift LTC6802 在最差情况下测得的带隙漂移 LTC6804 Worst Case Measured Zener Drift (data from LT1021) LTC6804 在最差情况下测得的齐纳漂移 (数据来自 LT1021) Years of Operation : 工作年限 mV of additional measurement error due to long term reference drift 由于长期基准漂移而产生的额外测量误差 (单位 mV) Estimated mV Error = X * 3.3. / (SQRT 估计的 mV 误差 = X * 3.3/ [√ (小时/1000)] / 1000 (LTC6802 和其他基于带隙的 AFE IC) 图 3：生产之后的测量误差。由于真实世界因素 (a) PCB 组装应力、 (b) 湿度变化、 (c) 所测得的基准漂移和 (d) 估计的长期基准漂移而产生的 3.3V 电池测量误差。 湿度是另一个考虑因素。潮气渗进塑料封装，并改变机械应力。对应力敏感的基准会出现电压变化。最后，还有长期漂移。在 IC 封装组装过程中，芯片会受到应力。这种应力随着时间推移而缓慢释放，导致基准产生变化。在运行数千小时以后，这种影响会减小，这就是长期漂移规定以 ppm/√kHr 为单位的原因。图 3 显示了 3000 小时以后所测得的漂移以及预计 15 年以后的漂移。 总之，提高电池测量准确度可提高性能。就真实世界应用的测量准确度而言，采用齐纳电压基准的 AFE IC 是最佳技术，正如图 3 中的产品比较所示。 新的隔离式数据链实现模块化电池组 电池组设计师受到激励开发模块化系统。16kW-hr 的电池也许不便于放入汽车内的单个舱中。此外，为了经济的适用性和保修，8,000 欧元 (10,235 美元) 的电池组可以分成小的模块。而且，单个模块化电池组设计可以扩大或缩小，以满足很多不同汽车平台的需求。 倘若把一个大型电池组拆分成若干个较小的模块，则会使电气连接的设计变得复杂化。在电池模块和控制电路之间传输数据需要一个线束。线束将遭受严重的电磁干扰 (EMI)。必须仔细注意数据通信硬件和软件。AFE IC 领域的新发明可以极大地降低数据通信的成本，同时保护电池组免受 EMI 影响。 2012 年生产具备模块化电池组的汽车一般采用结合的 CAN (控制器局域网) 通信和数字隔离器，如图 4 所示。CAN 用两条导线提供坚固的通信。一个小型微处理器 (MPU) 将数据从 CAN 协议转换到 AFE IC 更简单的 SPI 或 I2C 协议。模块之间的隔离由一个数字隔离器 IC 提供，这有时需要一个隔离式电源。CAN 收发器、MPU 和隔离器 IC 合起来的成本大约为 3.5 欧元 (4.50 美元)。 图 4：运用 CAN 的隔离式数据通信 CONTROL MODULE：控制模块 BATTERY MODULE：电池模块 12 CELLS：12 节电池 新的 LTC6804 AFE IC 消除了 CAN 的成本和软件复杂性问题，同时在模块之间提供坚固和隔离式两线数据传送。图 5 显示，用 LTC6804 的 isoSPI 端口与一个简单的脉冲变压器相结合，实现了电池模块的互连。另一种凌力尔特 IC 是 LTC6820 隔离式 SPI 接口 IC，将任何微处理器的 SPI端口连接到 isoSPI 总线。来自微处理器的时钟、数据和芯片选择信号由 LTC6820 编码成不同的脉冲。LTC6804 将这些脉冲解码回时钟、数据和芯片选择信号。微处理器将 LTC6804 AFE IC 看作一个简单的 SPI 外围设备。透明的 isoSPI 总线提供电流隔离和抵抗 EMI 的能力。 图 5：运用 isoSPI 实现的隔离式数据通信 CONTROL MODULE：控制模块 BATTERY MODULE：电池模块 12 CELLS：12 节电池 isoSPI 脉冲的信号强度和两线连接的阻抗是可调的。通过改变电阻器的值 (未显示)，用户可以提高信号电流。这种灵活性意味着，isoSPI 总线可以定制以通过 100 米电缆通信并抑制高干扰电平。LTC6804 AFE IC 包括 15 位循环冗余校验 (CRC)，以确保数据的完整性。图 6 说明了大电流注入 (BCI) 测试的结果。BCI 测量一个系统的抗电磁干扰性。RF 能量通过夹在电缆的探头注入。另一个探头测量所产生的 RF 电流。数据包通过电缆发送，CRC 用来查看是否有数据损坏。采用几种不同的 isoSPI 数据脉冲强度来重复测试。20mA isoSPI 数据脉冲不受 200mA RF 注入的影响。 RF Frequency：RF 频率 % of Good Data Packets：好数据包的比例 (%) Data Errors with 200mA RF Interference Level：在 200mA RF 干扰时的数据误差 20mA isoSPI strength, no errors : 20mA isoSPI 强度，无误差 10mA isoSPI strength : 10mA isoSPI 强度 2mA isoSPO strength : 2mA isoSPI 强度 图 6：isoSPI 抗 RF 干扰能力 主动电荷平衡加速充电并增大能量 所有串联连接的电池都需要平衡。一节电池到另一节电池的自放电速率、电子负载和温度都不同。经过很多充电和放电周期后，这些差别导致电池电荷状态出现不容忽视的不平衡。电荷不平衡会降低电池组容量。例如，如果一节电池的电量比其他电池多 10%，这时给电池组加上充电电流，那么这节电池就会达到 80% 的充电状态限制，而其他电池则充电到 70%。电池组中的可用电量减少了 10%。被动平衡通过一个负载电阻器消耗单节电池的电量，对于在串联连接的电池组中平衡失配电池而言，这是成本最低和最简单的方式。大多数 AFE IC 都支持被动平衡。 被动平衡能效低且速度慢。典型的平衡电流范围为电池容量的 1% 至 5%。要从一个 40A-hr 的电池消耗 10% 的电量，在 I = 400mA 时需要 10 个小时，或者在 I = 2A 时产生 8W 的热量。很多电池都可能需要平衡。就大容量电池组而言，被动平衡器产生的热量是不可接受的，而高效率、大电流主动电荷平衡器是惟一可行的解决方案。 主动电荷平衡不仅能以更低的热量加速充电，而且有助于恢复容量。电池随着老化容量会下降。由于电池组的温度变化率和电池制造差异，随着时间推移，电池会有不同程度的老化。电池甚至有可能在维修时被替换。在采用被动平衡方式时，电池组的容量由最薄弱的一节电池决定。平衡电池组并充电至 80%。当最薄弱的电池达到 20% 时，电池组的放电就停止了。正确设计的主动电荷平衡系统将按照需要，高效率地在整个电池组中重新分配电荷，并基于平均容量的电池而不是最低容量的电池确保达到 20% 和 80% 状态。为了最大限度地延长电池组的运行时间，在电池组的充电和放电过程中，都必须对电池加以平衡。 LTC3300 和 LT8584 等的新 IC 将在汽车电池组中实现主动电荷平衡。LTC3300 (图 7) 为满足大型电池系统的双向主动平衡需求而设计。 图 7：采用 LTC6804 和 LTC3300 的监视器和主动电荷平衡解决方案 CHARGE SUPPLY：供应电荷 CHARGE RETURN：电荷返回 NEXT CELL ABOVE：上节电池 NEXT CELL BELOW：下节电池 这采用了一种非隔离型同步反激式拓扑，一次最多可对 12 个或更多邻接电池中的 6 个电池进行电荷平衡。平衡电流可能高达 10A。通过将每个反激式变压器的副端交错连接，电荷可从一个由 12 节电池组成的模块传送至一个模块。可实现非常高的传送效率 (> 92%)，而且就典型的电池至电池失配情况而言，可以实现非常高的容量恢复 (> 80%)。LT3300 可以通过 LTC6804 上的串行端口来控制。这两个 IC 建立了准确和易于使用的电池监视器和平衡系统。 LT8584 (图 8) 单片反激式 DC/DC 转换器用单向拓扑实现了主动平衡。这种单向方式有一个优势，即从一个给定电池向整个电池组重新分配电荷，从而提供高效率电池放电。这种拓扑可能仅在放电方向移动电荷，因此对给定电池的“充电”会比双向方式的效率低。集成的 6A 电源开关支持 2.5A 平均平衡电流。LT8584 还可以测量平衡电流、芯片温度和电缆电阻。LT8584 直接连接到 LTC6804 AFE IC，实现了又一个易于使用两个 IC 来监视和平衡的方案。 图 8：采用 LTC6804 和 LT8584 的监视器和主动电荷平衡解决方案 MODULE：模块 2.5A AVERAGE DISCHARGE 1：2.5A 平均放电电流 1 READ CELL PARAMETERS：读电池参数 ENABLE BALANCING：实现平衡 BATTERY STACK MONITOR：电池组监视器 新的 IC 提高性能并降低成本 LTC6804 等测量 IC 提供有保证的测量 准确度和长期稳定性，因此电池组可从每节电池抽取最多能量。sioSPI 等简单的隔离式两线通信方案最大限度地降低了组件成本，并提供抗电磁干扰能力。LTC3300 和 LT8584 主动电荷平衡 IC 加速充电，并最大限度地提高电池容量。这些令人振奋的新 IC 是最先进和面向新一代 (混合) 电动型汽车电池组的产品。