從幾毫伏到數英里：電池管理集成電路 (IC) 如何影響汽車(chē)性能

我對電動(dòng)汽車(chē)的喜愛(ài)是顯而易見(jiàn)的。我開(kāi)全電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)有四年多的時(shí)間了，行駛里程有60000英里，大約100000公里。我選擇電動(dòng)汽車(chē)的原因有很多，不過(guò)歸根結底是因為電動(dòng)汽車(chē)真的很棒。它安靜得出奇，它的加速性能無(wú)人能敵，也不需要更換機油，而且想去哪兒就去哪兒，根本不用考慮速度或時(shí)間對于行駛里程的影響。

從4節串聯(lián)（微型混動(dòng)汽車(chē)），到12-16節串聯(lián)電池（輕度混合汽車(chē)），直到96節串聯(lián)電池（電動(dòng)和混動(dòng)汽車(chē)），根據汽車(chē)技術(shù)規格的不同，會(huì )有一節或很多節并聯(lián)電池。然而，從IC的角度出發(fā)，串聯(lián)電池節的數量才是關(guān)鍵點(diǎn)，并聯(lián)電池節數量可根據需要隨意確定。電池管理系統 (BMS) 是駕駛員、汽車(chē)和電池之間的重要紐帶。BMS包含監視和保護電池的電子元器件。我經(jīng)常對這些電池管理電子元器件的性能感到好奇，特別是諸如bq76PL455A-Q1的電源管理IC的性能到底怎么樣；實(shí)際上，正是這款器件使我的汽車(chē)能夠正常行駛的同時(shí)，還提升了車(chē)輛的性能。作為駕駛員，我急需知道電池的續航里程，以及汽車(chē)充電完成的時(shí)間。我還想知道，我的電池狀態(tài)是不是良好。我也很樂(lè )意知道我的汽車(chē)可以快速加速。我們來(lái)看看IC所具有的不同技術(shù)規格如何幫助實(shí)現我所需要的功能。

續航里程和加速
續航里程是另外一個(gè)了解電池剩余電荷的方法，這一參數被稱(chēng)為電荷狀態(tài) (SoC)。有手機的人都知道，電池的容量會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而逐漸下降。一個(gè)電池在一個(gè)指定時(shí)間點(diǎn)上能夠保存的最大電荷量被稱(chēng)為健康狀態(tài) (SoH)。計算SoH和SoC的方法有很多（請查看TI Impedance Track技術(shù)），而這些方法都會(huì )計算電池電壓、電池溫度和電池組電流。

某些鋰離子化學(xué)電池，比如說(shuō)磷酸鋰鐵電池，SoC相對于電池電壓的曲線(xiàn)非常平緩。電池電壓中的一個(gè)小誤差就有可能導致SoC估算中的巨大誤差。

一個(gè)LiFEPO4電池的SoC曲線(xiàn)

監視需要測量電壓、電流和溫度。諸如bq76PL455A-Q1的監視IC，對于大約4.5V的電池電壓，它在0°C至65°C溫度范圍內的準確度值為2mV，在-40°C至105°C溫度范圍內的準確度值為4mV，通常情況下，電池電壓精度在很大程度上取決于輸入電壓。請注意，我在這里討論的是真正的準確度：這個(gè)準確度包括所有由回流焊和前幾個(gè)熱循環(huán)所導致的偏移。有時(shí)候，數據表技術(shù)規格會(huì )與你在電路板上看到的值大不相同。加速也與SoC密切相關(guān)，由于電池電壓下降，所以電池能夠產(chǎn)生的最大功率也下降了。任一SoC上的過(guò)多電流，特別是在處于低SoC時(shí)，都會(huì )加速電池的老化。

安全性
到目前為止，電池在汽車(chē)中的應用已經(jīng)有150年的歷史了，所以汽車(chē)廠(chǎng)商也在這方面提供幫助。他們是如何做到的呢？汽車(chē)停止充電和放電的時(shí)間恰到好處。通常情況下，一個(gè)BMS具有一個(gè)單獨的保護器——這是一組比較器，它們檢查每節電池的電壓，并且確保電池電壓在正確的范圍內。如果監視器或保護器檢測到一節電池處于過(guò)壓閥值上或者欠壓狀態(tài)，那么充電或放電將終止。如果監視器或保護器少報電壓，另外一個(gè)將停止充電放電。

事實(shí)上，雖然故障很少發(fā)生，但是大多數汽車(chē)廠(chǎng)商都將他們的大部分時(shí)間花費在汽車(chē)的安全性開(kāi)發(fā)上。這也是為什么一個(gè)IC具有如此之多的自我診斷特性，并且一個(gè)監視器能夠診斷絕大部分系統的原因。例如，bq76PL455A-Q1能夠檢查線(xiàn)路斷開(kāi)，同時(shí)具有內置自檢以驗證已定義的內部功能，并且能夠以多種方法在安全性方面為用戶(hù)提供幫助。

成本
與我對電動(dòng)汽車(chē)的鐘愛(ài)程度一樣，我也很希望電動(dòng)汽車(chē)能夠再便宜一些。很明顯，在汽車(chē)成本中，電池占了很大份額。減少成本的最簡(jiǎn)單方法就是少花錢(qián)多辦事。在電池應用領(lǐng)域中，這就意味著(zhù)更小的保護帶，而反過(guò)來(lái)，也就表示需要更多精確的監視器和保護器。通常情況下，保護器不如監視器精確，所以，實(shí)際上是保護器的準確性拉高了保護帶數量。

主動(dòng)和被動(dòng)電池節均衡是另外一個(gè)重要特性。如果沒(méi)有電池均衡，那么大容量電池會(huì )很快失效。當第一節電池無(wú)電時(shí)，放電驅動(dòng)停止。當第一節電池充滿(mǎn)時(shí)，充電停止。在沒(méi)有均衡的情況下，第一節完全放電的電池與第一個(gè)充滿(mǎn)電的電池互不相干；電池均衡減少了這兩節電池之間的電荷差異。被動(dòng)均衡在這方面的表現很不錯，事實(shí)上，你可以拿一個(gè)不可用的電池組，并且對其進(jìn)行一次均衡以消除漂移效應。然而，隨著(zhù)時(shí)間的推移，電池節的容量能夠保持的電荷數量也會(huì )發(fā)生改變，并且容量擴散會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移變得越來(lái)越大。

還有另外幾個(gè)方法能夠使汽車(chē)廠(chǎng)商降低成本。第一代系統通常使用控制器局域網(wǎng) (CAN) IC和隔離器，用于與主機控制器通信。這是一種比較昂貴的通信方式。更新一代的IC擁有經(jīng)改進(jìn)的通信方式。在無(wú)需隔離器的情況下，通過(guò)隔離式差分通用異步接收器/發(fā)射器 (UART)來(lái)完成通信，數個(gè)bq76PL455A-Q1能夠以菊花鏈配置進(jìn)行通信。價(jià)格低廉的電容器能夠幫助你實(shí)現隔離。

集成的監視器和保護器，以及每個(gè)IC能夠監視越來(lái)越多的電池節數量也有助于進(jìn)一步降低成本。bq76PL455A-Q1能夠監視多達16節電池，并且具有一個(gè)集成式保護器，從而極大地降低了系統成本，特別是對于48V輕度混合動(dòng)力系統來(lái)說(shuō)更是如此，因為單個(gè)IC能夠替代多達4個(gè)IC、2個(gè)12節監視器和2個(gè)12節保護器。

當我駕車(chē)時(shí)，我對汽車(chē)電池組內所具有的業(yè)內最佳技術(shù)水平而感到高興。我也很愿意駕駛一輛具有更好、更加精確電池管理IC的汽車(chē)駛向未來(lái)。