行業(yè)技術(shù)分享基于一種高效電池管理系統的應用

假定你接受了一項任務(wù)，為一個(gè)新的和基于電池的電源系統設計監視器電路，那么你會(huì )采取什么策略來(lái)優(yōu)化該設計的成本和可制造性呢?最初考慮的問(wèn)題將是確定系統的首選結構以及電池和有關(guān)電子組件的位置?；窘Y構清楚以后，接下來(lái)必須考慮的一個(gè)問(wèn)題是，電路拓撲的權衡協(xié)調問(wèn)題，例如，怎樣優(yōu)化最終產(chǎn)品的通信和互連。

電池的外形尺寸將對電源系統結構有重大影響。要使用大量小型電池以適合形狀復雜的電池模塊 (或電池組) 嗎？或者要使用外形尺寸很大的電池，因而由于重量問(wèn)題而導致對電池數量的限制或引起其他的尺寸限制?這也許是設計變數最大的部分，因為外形新穎的電池不斷上市，而且人們也在不斷努力，務(wù)求電池模塊或電池組集成到產(chǎn)品中后，會(huì )與整個(gè)產(chǎn)品概念更加一致。例如，在汽車(chē)設計情況下，電池最終也許分散在車(chē)輛上的某些空間中，這些空間如果不放電池，利用效率很低。

另一個(gè)考慮因素是，電池 (或模塊化電池組)、電池管理系統 (或其子系統) 以及最終應用接口之間的測試信號和 / 或遙測信號的互連。在大多數情況下，可以做一個(gè)外殼，用來(lái)集成電池模塊或電池組中的某些數據采集電路，以便如果需要調換，那么生產(chǎn) ID、校準、使用規格等重要信息能隨著(zhù)可替換組件帶走。這類(lèi)信息對電池管理系統 (BMS)或維修設備可能有用，而且最大限度地減少了線(xiàn)束中所需的高壓額定值導線(xiàn)的數量。

接下來(lái)，就給定的機械概念設計而言，監視硬件拓撲由精確定義的、所需支持的電池數量決定。在汽車(chē)應用中，一般情況下總共會(huì )有 100 個(gè)以上的電池測量點(diǎn)，而且系統的模塊化將決定一個(gè)給定的電路系統測量多少個(gè)電池。最常見(jiàn)的情況是，以安全斷接“維修插頭”方式，將所有電池分成至少兩個(gè)子組。通過(guò)在故障情況下保持電壓低于 200V，這種方法最大限度地降低了維修人員可能遇到的觸電危險。外形尺寸較大的電池組意味著(zhù)，要采用兩套隔離的數據采集系統，每套也許支持 50 個(gè)電池分接頭。在有些情況下，所有電子組件都在一個(gè)經(jīng)濟實(shí)惠的印刷電路板上，但是這需要大量互連，如圖 1 (a)所示?；蛘唠娮咏M件也可以分散放置，更加緊密地集成在電池模塊中，但是這需要采用遙測鏈接方法。為了實(shí)現可靠的數據完整性，內置于汽車(chē)線(xiàn)束中的遠端測量功能電路必須采用一種堅固型協(xié)議，例如廣泛使用的 CAN 總線(xiàn)。盡管真正的 CAN 總線(xiàn)接口涉及幾個(gè)網(wǎng)絡(luò )層，但是可以很方便地采用 PHY 層構成 BMS LAN 結構，以高效率地進(jìn)行模塊內的通信。這類(lèi)分布式結構如圖 1 (b)所示。該拓撲允許在幾個(gè)小型處理器之間分配計算工作量，從而降低所需的數據傳輸速率，并減輕 LAN 方法可能引起的 EMI 問(wèn)題。最終的 BMS 應用接口很可能是至一個(gè)主系統管理處理器的 CAN 總線(xiàn)接線(xiàn)，而且將需要定義 (或在一開(kāi)始規定) 特定的信息事務(wù)處理。

其他因素也可能對物理結構和監視電路造成影響。就鋰離子電池而言，需要電池容量平衡，從而導致了額外的熱量管理問(wèn)題(去除熱量)，而且如果需要有源平衡，還需要電源轉換電路。溫度探頭常常分布在整個(gè)模塊之上，以提供一種將電壓讀數與充電狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來(lái)的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設計時(shí)一個(gè)常常忽視的考慮因素是，當產(chǎn)品安裝之前閑置或儲存在貨架上時(shí)，電池的電量泄漏應該是最低的。在有些情況下，額外的控制配線(xiàn)是必要的。

在上面實(shí)現的這些結構中，都有一個(gè)常見(jiàn)的測量功能構件，該構件包括一個(gè)多通道 ADC、安全隔離勢壘和某種程度的本地處理能力。圖 2電路顯示了一個(gè)實(shí)現數據采集功能的可擴展設計平臺。在這個(gè)圖中，實(shí)現功能的核心組件是凌力爾特的 LTC6803 電池組監視器 IC，同時(shí)顯示的還有一個(gè) SPI 數據隔離器和一些可選的特殊用途電路。該電路包括輸入濾波器和無(wú)源平衡功能，構成了一個(gè)完整的 12 節電池數據采集解決方案。如果需要，這類(lèi)電路可以簡(jiǎn)單地復制，以支持更多電池測量方案，同時(shí)共享主微控制器的本地 SPI 端口，該主微控制器反過(guò)來(lái)再提供外部 CAN 總線(xiàn)或其他 LAN 型數據鏈路所需。

其他因素也可能對物理結構和監視電路造成影響。就鋰離子電池而言，需要電池容量平衡，從而導致了額外的熱量管理問(wèn)題(去除熱量)，而且如果需要有源平衡，還需要電源轉換電路。溫度探頭常常分布在整個(gè)模塊之上，以提供一種將電壓讀數與充電狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來(lái)的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設計時(shí)一個(gè)常常忽視的考慮因素是，當產(chǎn)品安裝之前閑置或儲存在貨架上時(shí)，電池的電量泄漏應該是最低的。在有些情況下，額外的控制配線(xiàn)是必要的。

在上面實(shí)現的這些結構中，都有一個(gè)常見(jiàn)的測量功能構件，該構件包括一個(gè)多通道 ADC、安全隔離勢壘和某種程度的本地處理能力。圖 2 電路顯示了一個(gè)實(shí)現數據采集功能的可擴展設計平臺。在這個(gè)圖中，實(shí)現功能的核心組件是凌力爾特的 LTC6803 電池組監視器 IC，同時(shí)顯示的還有一個(gè) SPI 數據隔離器和一些可選的特殊用途電路。該電路包括輸入濾波器和無(wú)源平衡功能，構成了一個(gè)完整的 12 節電池數據采集解決方案。如果需要，這類(lèi)電路可以簡(jiǎn)單地復制，以支持更多電池測量方案，同時(shí)共享主微控制器的本地 SPI 端口，該主微控制器反過(guò)來(lái)再提供外部 CAN 總線(xiàn)或其他 LAN 型數據鏈路所需。