適用于大功率電池組的電池管理架構

汽車(chē)和工業(yè)設備制造商一般要求電池壽命超過(guò) 10 年，這些制造商還會(huì )規定所需的可用電池容量。對電池系統設計師的挑戰是如何用最小的電池組實(shí)現最大的容量。為了實(shí)現這個(gè)目標，電池系統必須用精準的電子組件仔細控制和監視電池。

大功率電池組系統
用于電動(dòng)汽車(chē)或工業(yè)設備的大功率電池組系統由很多串聯(lián)疊置的電池組成。一個(gè)典型的電池組含有的電池可能有 96 個(gè)之多，就充電至 4.2V 的鋰離子電池而言，總共能產(chǎn)生超過(guò) 400V 的電壓。

盡管系統將電池組看作單個(gè)高壓電池，對電池組中的電池同時(shí)充電或放電，但是電池控制系統必須獨立考慮每一個(gè)電池的狀態(tài)。如果電池組中一個(gè)電池的容量比其他電池略低，那么經(jīng)過(guò)多個(gè)充電/放電周期之后，其充電狀態(tài) (SOC) 將逐漸偏離其余的電池。如果這節電池與其余電池的充電狀態(tài)沒(méi)有周期性地進(jìn)行均衡，那么該電池最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而損壞，并最終導致電池組故障。因此，必須監視每節電池的電壓，以確定充電狀態(tài)。此外，還必須預先采取措施，使電池能單獨充電或放電，以均衡電池之間的充電狀態(tài)。

與監視系統通信
電池組監視系統需要考慮的一個(gè)重要因素是通信接口。就印刷電路板 (PCB) 內部的通信而言，常見(jiàn)的選擇包括：串行外圍接口 (SPI) 總線(xiàn)；內置集成電路 (I2C) 總線(xiàn)。這兩種接口的通信開(kāi)銷(xiāo)都很低，適合于低干擾環(huán)境。

另一種選擇是 CAN 總線(xiàn)，該接口在汽車(chē)應用中得到了廣泛采用。CAN 總線(xiàn)非?？煽?，具有差錯檢測和容錯能力，但是通信開(kāi)銷(xiāo)很大，材料成本很高。盡管從電池系統到主 CAN 總線(xiàn)有一個(gè)接口也許是可取的，但在電池組內部，SPI 或 I2C 通信是有利的。

諸如凌力爾特的 LTC6802 電池組監視器 IC 等器件測量由多達 12 節電池組成的電池組的電壓，多個(gè) LTC6802可以從電池組的低端到頂端串聯(lián)疊置，該器件還有內部開(kāi)關(guān)，允許單節電池放電，以使該電池與電池組中其余電池的容量達到均衡狀態(tài)。

為了說(shuō)明這種電池組架構，我們考慮一個(gè)有 96 節鋰離子電池的系統。監視整個(gè)電池組需要 8 個(gè)電池組 IC，每個(gè)器件都以不同的電壓工作。

采用 4.2V 鋰離子電池，底端監視器件監視 12 個(gè)電池，電壓從 0V 至 50.4V。下一組電池的電壓范圍為 50.4V 至 100.8V，沿著(zhù)電池組向上依此類(lèi)推。

這些器件以不同電壓工作，它們之間的通信帶來(lái)了巨大挑戰。人們已經(jīng)考慮了各種方法，考慮到系統設計師的側重點(diǎn)不同，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

電池監視的要求
在確定電池監視系統的架構時(shí)，至少需要均衡 5 個(gè)主要的要求。這些要求的相對重要性視最終客戶(hù)的需求和期望的不同而不同。

1.準確度：為了充分利用最大的電池容量，電池監視器必須是準確的。不過(guò)，汽車(chē)和工業(yè)系統充滿(mǎn)噪聲，電磁干擾存在于很寬的頻率范圍內。準確度有任何損失都將給電池組的壽命和性能帶來(lái)負面影響。

2.可靠性：無(wú)論使用什么樣的電源，汽車(chē)和工業(yè)制造商都必須滿(mǎn)足極高的可靠性標準。此外，某些電池的高能量容量和潛在的易變性也是主要的安全隱憂(yōu)。在保守條件下停機的故障保險系統比較適合災難性電池故障，盡管這種系統有可能不幸使乘客滯留或使生產(chǎn)線(xiàn)暫停。因此，電池系統必須仔細監視和控制，以確保在系統的整個(gè)壽命期內實(shí)現全面控制。為了最大限度地減少虛假和真實(shí)故障，一個(gè)良好設計的電池組系統必須保證可靠的通信、采用可最大限度地減少故障的模式、和具備故障檢測。

3.可制造性：新式汽車(chē)中含有種類(lèi)繁多的電子組件和復雜的布線(xiàn)線(xiàn)束。增加復雜的電子組件和配線(xiàn)以支持電動(dòng)汽車(chē) / 混合電動(dòng)汽車(chē) (EV/HEV) 電池系統會(huì )給汽車(chē)制造帶來(lái)更多挑戰。必須最大限度地減少組件和連線(xiàn)，以滿(mǎn)足嚴格的尺寸和重量限制，并確保大批量生產(chǎn)是實(shí)際可行的。

4.成本：復雜的電子控制系統可能很昂貴。最大限度地減少相對昂貴的組件 (如微控制器、接口控制器、電流隔離器和晶體) 可以顯著(zhù)降低系統的總體成本。

5.功率：電池監視器本身也是電池的負載。較低的工作電流可提高系統效率，而當汽車(chē)或設備關(guān)閉時(shí)，較低的備用電流可防止電池過(guò)度放電。

電池監視
下面介紹了電池監視系統的 4 種架構。每種架構都設計為自主電池監視系統，并假定系統由 96 個(gè)電池組成，12 個(gè)電池為一組，分成 8 組 (參見(jiàn)表 1)。每組都有一個(gè)至主 CAN 總線(xiàn)的 CAN 接口，而且與系統其余部分是電流隔離的。

表 1：電池監視架構比較

并聯(lián)獨立 CAN 模塊 (圖 1)
每個(gè)由 12 個(gè)電池組成的模塊都含有一個(gè) PC 板，板上有一個(gè) LTC6802、一個(gè)微控制器、一個(gè) CAN 接口和一個(gè)電流隔離變壓器。系統所需的大量電池監視數據使主 CAN 總線(xiàn)難以應付，因此 CAN 模塊必須在 CAN 子網(wǎng)上。CAN 子網(wǎng)由一個(gè)主控制器協(xié)調，該主控制器也為主 CAN 總線(xiàn)提供網(wǎng)關(guān)。

圖 1：并聯(lián)獨立 CAN 模塊

具 CAN 網(wǎng)關(guān)的并聯(lián)模塊 (圖 2)
每個(gè)由 12 節電池組成的模塊都含有一個(gè) PC 板，板上有一個(gè) LTC6802 和一個(gè)數字隔離器。這些模塊具有至控制器電路板的獨立接口連接，該控制器電路板上含有一個(gè)微控制器、一個(gè) CAN 接口和一個(gè)電流隔離變壓器。微控制器協(xié)調這些模塊，并為主 CAN 總線(xiàn)提供網(wǎng)關(guān)。

圖 2：具 CAN 網(wǎng)關(guān)的并聯(lián)模塊的方框圖

具 CAN 網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監視模塊 (圖 3)
在這種配置中，由 12 節電池組成的模塊中沒(méi)有監視和控制電路。取而代之的是，單個(gè) PC 板含有 8 個(gè) LTC6802 監視器 IC，每個(gè)監視器 IC 都連接至其電池模塊。LTC6802 器件通過(guò)非隔離式 SPI 兼容的串行接口通信。單個(gè)微控制器通過(guò) SPI 兼容的串行接口控制整組電池監視器，該微控制器也是至主 CAN 總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。CAN 收發(fā)器和電流隔離變壓器是該電池監視系統的最后兩個(gè)組件。

圖 3：具 CAN 網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監視模塊的方框圖

具 CAN 網(wǎng)關(guān)的串聯(lián)模塊 (圖 4)
這種架構類(lèi)似于單個(gè)監視模塊，除了每個(gè) LTC6802 都在由 12 個(gè)電池組成的模塊內部的 PC 板上。8 個(gè)模塊通過(guò) LTC6802 非隔離式 SPI 兼容串行接口通信，這在電池模塊之間需要連接 3 或 4 條傳導電纜。單個(gè)微控制器通過(guò)底端監視器 IC 控制整組電池監視器，并作為至主 CAN 總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。CAN 收發(fā)器和電流隔離變壓器仍然是電池監視系統的最后兩個(gè)組件。

圖 4：具 CAN 網(wǎng)關(guān)的串聯(lián)模塊的方框圖

電池監視架構選擇
第一種和第二種架構一般而言比較具有挑戰性，因為并行接口需要大量連接和外部隔離。為了應對這種復雜性的提高，設計師采用了獨立地與每個(gè)監視器器件通信的方法。第三種 (具 CAN 網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監視模塊) 和第四種 (具 CAN 網(wǎng)關(guān)的串聯(lián)模塊) 架構采用了簡(jiǎn)化的方法，所受限制最少。

LTC6802 可以滿(mǎn)足所有 4 種配置的需求，為系統設計師留出了選擇余地。該器件的兩個(gè)變體也已開(kāi)發(fā)出來(lái)，一個(gè)用于串聯(lián)配置，另一個(gè)用于并聯(lián)配置。LTC6802-1 用于疊置式 SPI 接口配置。多個(gè)器件可以通過(guò)一個(gè)接口串聯(lián)連接，該接口無(wú)需外部電平移位器或隔離器，就可沿著(zhù)電池組來(lái)回發(fā)送數據。LTC6802-2 允許用單個(gè)器件滿(mǎn)足并聯(lián)架構的需求。兩種變體有相同的電池監視性能規格和功能。

電動(dòng)汽車(chē)和大功率工業(yè)設備向電池組提出了大量要求。制造商期望用經(jīng)濟實(shí)惠的電池系統滿(mǎn)足嚴格的可靠性要求。最新的電池監視 IC 使系統設計師能在無(wú)性能折衷的前提下，靈活地選擇最佳電池組架構。