用電子器件提高電動(dòng)汽車(chē)的電池性能

混合動(dòng)力電動(dòng)型汽車(chē)電池中的電子器件是提高性能和安全性的關(guān)鍵。在集成電路設計領(lǐng)域的新技術(shù)使電池組設計師能進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能。更高的測量準確度、更堅固的數據鏈路和電池容量的主動(dòng)電荷平衡都幫助實(shí)現了更低的成本、更長(cháng)的行駛周期和更快的充電。

典型的電池組方框圖(圖1)由幾組串聯(lián)連接的鋰離子電池組成，它們的測量和平衡由高壓模擬集成電路完成。這些模擬前端(AFE) IC執行艱難的測量每節電池電壓、電流和溫度的任務(wù)，并向控制電路傳遞數據?？刂破鬟\用電池數據計算電池組的電荷狀態(tài)和健康狀態(tài)?？刂破骺赡苊钋岸薎C給某些電池充電或放電，以在電池組內保持平衡的電荷狀態(tài)。

BATTERY PACK：電池組
DATA PORT：數據端口
CONTROLLER：控制器
State of Charge：電荷狀態(tài)
State of Health：健康狀態(tài)
System Safety：系統安全
DATA BUS：數據總線(xiàn)
ISOLATION BARRIER：隔離勢壘
MEASURE BALANCE：測量與平衡
12 SERIES LI-ION CELLS：12節串聯(lián)的鋰離子電池
圖1：電池組方框圖

更高的準確度意味著(zhù)更低的成本

模擬前端IC的測量準確度對系統成本有直接影響。需要準確的測量以實(shí)現有用的電荷狀態(tài)(SOC)計算。為了實(shí)現長(cháng)壽命，電池組一般在20%至80%的SOC之間工作。如果在SOC計算中有5%的不確定性，那么電池組的尺寸就必須增大5%，這導致電池的成本顯著(zhù)增大。給一個(gè)16kW-hr電池組增加5%的容量，需要約360歐元(460美元)。改進(jìn)SOC計算以實(shí)現1%的誤差意味著(zhù)，每個(gè)電池組能節省約300歐元(385美元)。

電池電壓測量是SOC算法的關(guān)鍵要素。當測量3.3V LiFePO4(磷酸鐵鋰)電池時(shí)，IC電源和電池組開(kāi)發(fā)人員都集中采用總測量誤差1mV的規格。

對于諸如售價(jià)480歐元(615美元)的Fluke-289手持式萬(wàn)用表等實(shí)驗室設備，測量3.3V至1mV以?xún)鹊碾妷菏撬究找?jiàn)慣的。AFE IC必須以1/100的成本提供相同的性能，并在汽車(chē)環(huán)境中連續工作15個(gè)年。只有為數不多的IC技術(shù)能夠實(shí)現這一目標。

真實(shí)世界中的準確度

什么樣的IC技術(shù)最適合電池測量呢？答案可從圖2(典型AFE IC的方框圖)的誤差分析獲得。12個(gè)串接電池之一由多路復用器(MUX)模塊來(lái)選擇。通過(guò)閉合“S”開(kāi)關(guān)把電池電壓存儲在一個(gè)電容器上。斷開(kāi)“S”開(kāi)關(guān)，然后閉合“T”開(kāi)關(guān)。電池兩端的電壓將轉移至ADC。這種“飛跨電容器”方案消除了頂端電池33V的大共模電壓，并保持了3.3V的差分電壓。模數轉換器(ADC)將電池電壓與其電壓基準進(jìn)行比較，并產(chǎn)生一個(gè)與VCELL和VREF之比成比例的數字結果。

DATA I/O：數據I/O
VOLTAGE REFERENCE：電壓基準
圖2：典型模擬前端IC

如果開(kāi)關(guān)的阻抗太大，無(wú)法在很短的采樣時(shí)間內給電容器充電，那么MUX和飛跨電容器就可能引入測量誤差。細致的開(kāi)關(guān)電容器設計可消除這個(gè)誤差項。

由ADC進(jìn)行從模擬到數字的轉換還可能由于器件失配而引入誤差。其次，細致的設計與器件微調相結合，可降低ADC引起的誤差。

AFE IC的基本限制來(lái)自電壓基準

假如電壓基準下降了1%，則所有的讀數都將增加1%。電壓基準是由某種物理量產(chǎn)生的，可以是反向偏置PN結的雪崩擊穿(一個(gè)齊納基準)、兩個(gè)基極-發(fā)射極電壓之差(一個(gè)帶隙基準)、或一個(gè)電容器上存儲的電荷(一個(gè)EPROM基準)。每個(gè)AFE IC在生產(chǎn)中都進(jìn)行了微調，以使電壓基準的初始值非常準確。不幸的是，視IC技術(shù)的不同而不同，電壓基準可能隨著(zhù)時(shí)間、溫度、濕度和印刷電路板(PCB)組裝應力的不同而產(chǎn)生極大的變化。這導致一些IC廠(chǎng)商只提出“典型”準確度，而關(guān)于A(yíng)FE IC在真實(shí)世界中會(huì )怎樣表現則未提供指導。

要在嚴酷的汽車(chē)環(huán)境中運行，最佳技術(shù)是齊納基準。數年來(lái)，凌力爾特新的LTC6804 AFE電池組監視器IC運用齊納電壓基準技術(shù)，以保持優(yōu)于所需的準確度。LTC6804比前一代產(chǎn)品有了顯著(zhù)改進(jìn)，前一代產(chǎn)品依靠帶隙電壓基準。例如，考慮PCB組裝所產(chǎn)生的應力。AFE IC在焊接過(guò)程中會(huì )遭受幾種熱沖擊。在塑料封裝和銅引線(xiàn)框架的膨脹和收縮過(guò)程中，芯片會(huì )經(jīng)受機械應力。帶隙基準的表現就像一個(gè)應變計，將機械應力轉換成基準電壓的變化。電壓基準的任何變化都會(huì )直接降低電池測量的準確度。PCB器件應力的影響示于圖3，在熱沖擊之前和之后對10個(gè)AFE IC(3種類(lèi)型)進(jìn)行了測量?；鶞势埔噪姵販y量誤差(單位是mV)來(lái)表示(假設采用的是一個(gè)3.3V電池)。