用于大功率鋰電池組的電池管理設(shè)計(jì)

基于鋰的電池化學(xué)材料在大功率工業(yè)和交通運(yùn)輸系統(tǒng)中正在迅速取代鉛酸和鎳氫金屬(NiMH)材料。不過，鋰化學(xué)材料在能量和功率密度方面的優(yōu)點(diǎn)被電池管理電路更高的復(fù)雜性抵消了。在這些“下一代”電池管理系統(tǒng)(BMS)中，開發(fā)人員需要應(yīng)對(duì)非常具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)限制。他們必須在嚴(yán)酷的噪聲環(huán)境中，在寬溫度范圍內(nèi)和存在幾百伏共模電壓的情況下，以非常高的精確度測(cè)量每節(jié)電池的電壓。

鋰電池組由一組單節(jié)鋰離子電池制成，這些電池的典型電壓/電流值為2.5～3.9V和4～40Ahr。在很多系統(tǒng)中，電池組由36～200節(jié)電池串聯(lián)而成?；旌想妱?dòng)汽車中就應(yīng)用了電池組，其必須提供快速可再充電能力，而且消費(fèi)者也要求電池組壽命至少達(dá)10年，并在一次充電后的行駛距離達(dá)到100英里，峰值充電電流和放電電流約為200A，最重要的是，其發(fā)生ROE(快速氧化事件，即著火)的可能性必須小于燃油動(dòng)力汽車。當(dāng)然，必須以對(duì)汽車成本影響最小的方式提供所有這些性能?？傊?，采用鋰電池組的電動(dòng)汽車(EV)的設(shè)計(jì)要求在性能、經(jīng)濟(jì)性和安全性之間取得平衡。兩個(gè)關(guān)鍵要素是電池設(shè)計(jì)和電池管理電路。

一個(gè)鋰離子電池充電到100%或放電到0%將降低其長(zhǎng)期容量。因此，鋰離子電池的工作充電狀態(tài)通常被限制到一個(gè)較小的范圍，諸如30%～70%。為了充分利用可用電池容量范圍，電池系統(tǒng)必須非常準(zhǔn)確地監(jiān)視每節(jié)電池的電壓(該電壓直接對(duì)應(yīng)于充電狀態(tài))。這是因?yàn)殇囯x子電池具有相對(duì)平坦的充電曲線(見圖1)。例如，僅為幾毫伏的電池電壓變化就代表了1%的充電狀態(tài)變化。

圖1 典型的鋰離子電池放電曲線

在一個(gè)高壓電池組中，采用多節(jié)鋰離子電池給保持特定充電狀態(tài)范圍這個(gè)目標(biāo)，增加了極大的復(fù)雜性。一個(gè)鋰離子電池組不能像單個(gè)電源那樣充電和放電。由于制造的差異性，各節(jié)電池的容量略有不同，而且這種容量差異隨著時(shí)間的推移會(huì)增大，因?yàn)檩^差的電池比其他電池老化快。就容量偏小的電池而言，它們的充電狀態(tài)在多個(gè)充電和放電周期之后將逐漸偏離。如果每節(jié)電池的充電狀態(tài)未得到周期性均衡，那么有些電池最終將過度充電或放電，從而損壞，并最終形成電池組故障。

此外，大功率電池應(yīng)用一般必須應(yīng)對(duì)電源負(fù)輸出、開關(guān)穩(wěn)壓器、繼電器、啟動(dòng)裝置和其他來源產(chǎn)生的顯著噪聲。圖2為一個(gè)包含100節(jié)電池的電池組的輸出，該輸出具有來自10kHz負(fù)輸出的尖峰，為電動(dòng)機(jī)供電。在這個(gè)例子中，每節(jié)電池都有一個(gè)3.7V的平均DC值，而且100V瞬態(tài)電壓均等地分?jǐn)偟?00節(jié)電池上。最上面那節(jié)電池具有370V共模電壓，100V共模開關(guān)瞬態(tài)電壓和1V差分瞬態(tài)電壓。

圖2 高壓電池組開關(guān)噪聲

顯然，電池管理電路面臨著一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。這些電路必須能快速和準(zhǔn)確地測(cè)量每節(jié)電池的電壓。這要求能夠從一個(gè)0～1000V的共模電壓中抽取一個(gè)小的差分電壓。現(xiàn)在的電池管理系統(tǒng)(BMS)大部分使用現(xiàn)售組件的組合，這些組件以模塊化方式排列。如圖3所示，一個(gè)由36節(jié)電池組成的電池組，以12節(jié)電池為一組分3組來進(jìn)行監(jiān)控。這樣做能降低每套模擬電路上的共模電壓。由2節(jié)電池組成的模塊為模擬電路提供局部電源和地，該模擬電路采用LTC6802-1電池組監(jiān)視器。

圖3 典型的電池組配置

LTC6802 為大型電池組處理數(shù)據(jù)采集任務(wù)，而且尤其適用于鋰離子電池。其可直接連接到電池串中的每一節(jié)。每節(jié)電池的電壓都以1.5mV的分辨率數(shù)字化成一個(gè)12位字。因?yàn)槭褂昧艘粋€(gè)獨(dú)特的電平移位串行接口，多個(gè)LTC6802無須光耦合器或隔離器就可以串聯(lián)疊置。在高抗噪串行數(shù)據(jù)沿著電池組被發(fā)送到一個(gè)系統(tǒng)控制器時(shí)，器件可以從每節(jié)電池處精確地直接測(cè)量電壓。此外，當(dāng)多個(gè)LTC6802器件串聯(lián)連接時(shí)，它們可以同時(shí)運(yùn)行，從而能對(duì)電池組中的所有電池進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的電壓測(cè)量。

圖4 LTC6802方框圖

在整個(gè)溫度和電壓范圍內(nèi)，電壓測(cè)量準(zhǔn)確度高于99.75%，而且電池組中所有電池的電壓都可以在13ms內(nèi)測(cè)量。每節(jié)電池的欠壓和過壓情況都得到監(jiān)視，而且每節(jié)電池的輸入都有一個(gè)MOSFET開關(guān)，該開關(guān)可用來對(duì)任何過度充電的電池放電。這些開關(guān)用于所謂的無源充電均衡，以應(yīng)對(duì)上述的電池均衡挑戰(zhàn)。每個(gè)LTC6802都可通過一個(gè)1MHz的串行接口通信，該接口支持廣播和尋址指令。該器件還包括兩個(gè)熱敏電阻輸入以測(cè)量環(huán)境或電池組溫度、兩條GPIO線和一個(gè)5V穩(wěn)壓器。凌力爾特公司為具有挑戰(zhàn)性的汽車環(huán)境做出了特殊考慮；LTC6802設(shè)計(jì)在工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作，具有高的抗ESD、抗EMI和抗噪聲性能，并具有內(nèi)置的診斷和自測(cè)試功能。

經(jīng)過多年的努力與不斷進(jìn)步，高能量電池系統(tǒng)的日常使用不久就將切實(shí)可行，尤其是作為電動(dòng)和混合電動(dòng)汽車的組成部分。在這種情況出現(xiàn)之前，必須為實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和可靠的電池系統(tǒng)解決各個(gè)層次的技術(shù)問題。而LTC6802提供了一個(gè)很好的解決方案，這個(gè)IC將數(shù)據(jù)采集功能集成到單個(gè)器件中，能夠支持由很多電池組成的長(zhǎng)電池串。像這樣的進(jìn)步將確保電動(dòng)和混合電動(dòng)汽車的商業(yè)成功，并為很多其他應(yīng)用創(chuàng)造機(jī)會(huì)。