混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的電池管理架構分析

凌力爾特公司(Linear)已經(jīng)推出一款使電池系統設計工程師能夠滿(mǎn)足這些苛刻要求的器件。LTC6802是一個(gè)電池組監視器IC，能測量多達12個(gè)疊置電池的電壓。LTC6802還有內部開(kāi)關(guān)，使電池可以單獨放電，以便它們能與電池組中的其它電池進(jìn)入平衡狀態(tài)。

為說(shuō)明電池組架構，考慮一個(gè)具有96個(gè)鋰離子電池的系統。這將需要8個(gè)LTC6802來(lái)監視整個(gè)電池組，其中每個(gè)器件工作在不同的電壓。當采用4.2V鋰離子電池時(shí)，底端監視器件將跨接在12個(gè)電池上,電位調節范圍為0~50.4V，下一組電池的電壓范圍為50.4V到100.8V，順著(zhù)電池組依此類(lèi)推。這些器件之間在不同的電壓上進(jìn)行通信帶來(lái)了難以克服的挑戰。人們已經(jīng)考慮過(guò)多種方法，但由于汽車(chē)制造商優(yōu)先考慮的重點(diǎn)不同，每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

表：電池監視架構比較。

電池監視要求

在電池監視系統架構之間作抉擇時(shí)，至少有5個(gè)需要平衡的主要要求。它們的相對重要性取決于最終客戶(hù)的需求和期望。
1. 準確性。為了利用可能的最大電池容量，電池監視器需要準確。不過(guò)，汽車(chē)是一種噪聲系統，在很大的頻率范圍內存在電磁干擾。任何的準確性降低都會(huì )對電池組壽命和性能造成有害影響。
2. 可靠性。不管采用何種電源，汽車(chē)制造商必須滿(mǎn)足極高的可靠性標準。此外，高能量容量以及有些電池技術(shù)潛在的不穩定本性是人們擔心的主要安全問(wèn)題。相對于嚴重的電池故障，在保守性條件下執行關(guān)斷操作的故障安全系統更加可取，盡管它有可能使乘客不幸滯留。因此，必須仔細監視和控制電池系統，以在系統中確保對整個(gè)電池壽命期的全面控制。為最大限度減少假的和真的故障，一個(gè)良好設計的電池組系統必須有魯棒的通信，最大限度減少故障模式以及故障檢測。
3. 可制造性?，F代的汽車(chē)已包含大量采用復雜布線(xiàn)線(xiàn)束的電子產(chǎn)品。就汽車(chē)制造而言，增加復雜的電子電路和配線(xiàn)以支持電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)電池系統會(huì )使復雜性更高?？偟慕M件和連接數量必須盡量地少以滿(mǎn)足嚴格的尺寸和重量限制，并確保大批量生產(chǎn)是切實(shí)可行的。
4. 成本。復雜的電子控制系統可能很昂貴，最大限度減少如微控制器、接口控制器、電流隔離器和晶振等成本相對高昂的元件數量可大大降低系統的總成本。
5. 功率。電池監視器本身也是電池的負載，其較低的工作電流可提高系統效率，較低的備用電流可在汽車(chē)熄火后防止電池過(guò)度放電。

電池監視架構

圖1至圖4給出了4種電池監視系統架構。假設一個(gè)由96個(gè)電池組成的系統以12個(gè)電池為一組分成8組，表中對這種情況下的每種架構的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了總結。在每種情況下，一個(gè)LTC6802監視一個(gè)由12個(gè)電池組成的電池組。每種架構都設計為一個(gè)自主的電池監視系統，都提供到汽車(chē)主CAN總線(xiàn)的CAN總線(xiàn)接口，且與汽車(chē)的其余部分是電流隔離的。

1．并行獨立CAN模塊(如圖1)

每個(gè)由12個(gè)電池組成的模塊都含有一個(gè)電路板，板上有LTC6802、微控制器、CAN接口和電流隔離變壓器。系統所需的大量電池監視數據會(huì )使汽車(chē)的主CAN總線(xiàn)崩潰，因此這些CAN模塊需要在局域CAN子網(wǎng)上。CAN子網(wǎng)由主控制器協(xié)調，該控制器還提供至汽車(chē)主CAN總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。

2．具CAN網(wǎng)關(guān)的并行模塊(如圖2)

每個(gè)由12個(gè)電池組成的模塊都含有一個(gè)電路板，板上有LTC6802和數字隔離器。這些模塊與控制器電路板有獨立的接口連接，控制器電路板上含有微控制器、CAN接口和電流隔離變壓器。微控制器協(xié)調這些模塊并提供到汽車(chē)主CAN總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。

3．具CAN網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監視模塊(圖3)

在這種配置中，由12個(gè)電池組成的模塊內部沒(méi)有監視和控制電路，而是在單個(gè)電路板上有8個(gè)LTC6802監視器IC，每個(gè)IC都連接到其電池模塊。LTC6802器件通過(guò)非隔離SPI兼容串行接口通信。單個(gè)微控制器通過(guò)SPI兼容串行接口控制全部電池組監視器，并充當到汽車(chē)主CAN總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。這些再加上CAN收發(fā)器和電流隔離變壓器就形成了完整的電池監視系統。