武漢中電通電力設(shè)備有限公司
? ? ? ?汽車制造商一般要求電池壽命超過10年，且對(duì)必需的可用電池容量做了規(guī)定。電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)是必須竭盡所能用最小的電池組實(shí)現(xiàn)最大的容量。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo),電池系統(tǒng)必須采用精密的電子電路仔細(xì)控制和監(jiān)視電池。
? ? ? ?電動(dòng)汽車電池組由多個(gè)電池串聯(lián)疊置組成。一個(gè)典型的電池組大約有96個(gè)電池,充電到4.2V的鋰離子電池而言,這樣的電池組可產(chǎn)生超過400V的總電壓。盡管汽車電源系統(tǒng)將電池組看作單個(gè)高壓電池,每次都對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行充電和放電,但電池控制系統(tǒng)必須獨(dú)立考慮每個(gè)電池的情況。如果電池組中的一個(gè)電池容量稍微低于其他電池,那么經(jīng)過多個(gè)充電/放電周期后,其充電狀態(tài)將逐漸偏離其他電池。如果這個(gè)電池的充電狀態(tài)沒有周期性地與其他電池平衡,那么它最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài),從而導(dǎo)致?lián)p壞,并最終形成電池組故障。為防止這種情況發(fā)生,每個(gè)電池的電壓都必須監(jiān)視,以確定充電狀態(tài)。此外,必須有一個(gè)裝置讓電池單獨(dú)充電或放電,以平衡這些電池的充電狀態(tài)。
? ? ? ?電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一-個(gè)重要考慮因素是通信接口。就PC板內(nèi)的通信而言,常用的選項(xiàng)包括串行外設(shè)接口( SPI)總線、I2C總線 ,每種總線的通信開銷都很低,適用于低干擾環(huán)境。另一個(gè)選項(xiàng)是控制器局域網(wǎng)( CAN )總線,這種總線在汽車應(yīng)用中被廣泛使用。CAN總線非常魯棒,具有誤差檢測和故障容限特性,但是它的通信開銷很大,材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到汽車主CAN總線的連接是值得要的,但在電池組內(nèi)采用SPI或I2C通信是有優(yōu)勢的。
? ? ? ?凌力爾特公司( Linear )已經(jīng)推出一款使電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠滿足這些苛刻要求的器件。
? ? ? ?LTC6802是一一個(gè)電池組監(jiān)視器IC ,能測量多達(dá)12個(gè)疊置電池的電壓。LTC6802還有內(nèi)部開關(guān),使電池可以單獨(dú)放電,以便它們能與電池組中的其他電池進(jìn)入平衡狀態(tài)。
? ? ? ?為說明電池組架構(gòu),考慮一個(gè)具有96個(gè)鋰離子電池的系統(tǒng)。這將需要8個(gè)LTC6802來監(jiān)視整個(gè)電池組,其中每個(gè)器件工作在不同的電壓。當(dāng)采用4.2V鋰離子電池時(shí),底端監(jiān)視器件將跨接在12個(gè)電池上,電位調(diào)節(jié)范圍為0 ~ 50.4V ,下一組電池的電壓范圍為50.4~ 100.8V ,順著電池組依此類推。這些器件之間在不同的電壓上進(jìn)行通信帶來了難以克服的挑戰(zhàn)。人們已經(jīng)考慮過多種方法,但由于汽車制造商優(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5-3為電池監(jiān)視架構(gòu)比較。
? ? ? ?( 2 )電池監(jiān)視要求
? ? ? ?在電池監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)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(duì)重要性取決于最終客戶的需求和期望。
? ? ? ?①準(zhǔn)確性。為了利用可能的最大電池容量,電池監(jiān)視器需要準(zhǔn)確。不過,汽車是一種噪聲系統(tǒng) ,在很大的頻率范圍內(nèi)存在電磁干擾。任何的準(zhǔn)確性降低都會(huì)對(duì)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,汽車制造商必須滿足極高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。此外,高能量容量以及有些電池技術(shù)潛在的不穩(wěn)定本性是人們擔(dān)心的主要安全問題。相對(duì)于嚴(yán)重的電池故障,在保守性條件下執(zhí)行關(guān)斷操作的故障安全系統(tǒng)更加可取,盡管它有可能使乘客不幸滯留。因此,必須仔細(xì)監(jiān)視和控制電池系統(tǒng),以在系統(tǒng)中確保對(duì)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(shè)計(jì)的電池組系統(tǒng)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。現(xiàn)代的汽車已包含大量采用復(fù)雜布線線束的電子產(chǎn)品。就汽車制造而言,增加復(fù)雜的電子電路和配線以支持電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)會(huì)使復(fù)雜性更高。總的組件和連接數(shù)量必須盡量地少以滿足嚴(yán)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(fù)雜的電子控制系統(tǒng)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(duì)高昂的元件數(shù)量可大大降低系統(tǒng)的總成本。
? ? ? ?⑤功率。電池監(jiān)視器本身也是電池的負(fù)載,其較低的工作電流可提高系統(tǒng)效率,較低的備用電流可在汽車熄火后防止電池過度放電。
? ? ? ?( 3 )電池監(jiān)視架構(gòu)
? ? ? ?圖5-45 ~圖5-48給出了4種電池監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)。假設(shè)-一個(gè)由96個(gè)電池組成的系統(tǒng)以12個(gè)電池為一組分成8組,表5-3中對(duì)這種情況下的每種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。在每種情況下,一個(gè)LTC6802監(jiān)視一個(gè)由12個(gè)電池組成的電池組。每種架構(gòu)都設(shè)計(jì)為一個(gè)自主的電池監(jiān)視系統(tǒng),都提供到汽車主CAN總線的CAN總線接口,且與汽車的其余部分是電流隔離的。
? ? ? ?①并行獨(dú)立CAN模塊(圖5-45)。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(tǒng)所需的大量電池監(jiān)視數(shù)據(jù)會(huì)使汽車的主CAN總線崩潰,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(diào),該控制器還提供至汽車主CAN總線的網(wǎng)關(guān)。
? ? ? ?②具CAN網(wǎng)關(guān)的并行模塊(圖5-46).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(shù)字隔離器。這些模塊與控制器電路板有獨(dú)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(diào)這些模塊并提供到汽車主CAN總線的網(wǎng)關(guān)。
? ? ? ?③具CAN網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監(jiān)視模塊(圖5-47 )。
? ? ? ?在這種配置中，由12個(gè)電池組成的模塊內(nèi)部沒有監(jiān)視和控制電路,而是在單個(gè)電路板上有8個(gè)LTC6802監(jiān)視器IC ,每個(gè)IC都連接到其電池模塊。LTC6802器件通過非隔離SPI兼容串行接口通信。單個(gè)微控制器通過SPI兼容串行接C ]控制全部電池組監(jiān)視器,并充當(dāng)?shù)狡囍鰿AN總線的網(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(jiān)視系統(tǒng)。
