用電子器件提高電動汽車的電池性能

混合動力電動型汽車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(shè)計領(lǐng)域的新技術(shù)使電池組設(shè)計師能進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(shù)據(jù)鏈路和電池容量的主動電荷平衡都幫助實現(xiàn)了更低的成本、更長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(zhí)行艱難的測量每節(jié)電池電壓、電流和溫度的任務(wù)，并向控制電路傳遞數(shù)據(jù)?？刂破鬟\用電池數(shù)據(jù)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(nèi)保持平衡的電荷狀態(tài)。

BATTERY PACK：電池組
DATA PORT：數(shù)據(jù)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(tǒng)安全
DATA BUS：數(shù)據(jù)總線
ISOLATION BARRIER：隔離勢壘
MEASURE BALANCE：測量與平衡
12 SERIES LI-ION CELLS：12節(jié)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更低的成本

模擬前端IC的測量準確度對系統(tǒng)成本有直接影響。需要準確的測量以實現(xiàn)有用的電荷狀態(tài)(SOC)計算。為了實現(xiàn)長壽命，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增大。給一個16kW-hr電池組增加5%的容量，需要約360歐元(460美元)。改進SOC計算以實現(xiàn)1%的誤差意味著，每個電池組能節(jié)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，IC電源和電池組開發(fā)人員都集中采用總測量誤差1mV的規(guī)格。

對于諸如售價480歐元(615美元)的Fluke-289手持式萬用表等實驗室設(shè)備，測量3.3V至1mV以內(nèi)的電壓是司空見慣的。AFE IC必須以1/100的成本提供相同的性能，并在汽車環(huán)境中連續(xù)工作15個年。只有為數(shù)不多的IC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標。

真實世界中的準確度

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個串接電池之一由多路復用器(MUX)模塊來選擇。通過閉合“S”開關(guān)把電池電壓存儲在一個電容器上。斷開“S”開關(guān)，然后閉合“T”開關(guān)。電池兩端的電壓將轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電池電壓與其電壓基準進行比較，并產(chǎn)生一個與VCELL和VREF之比成比例的數(shù)字結(jié)果。

DATA I/O：數(shù)據(jù)I/O
VOLTAGE REFERENCE：電壓基準
圖2：典型模擬前端IC

如果開關(guān)的阻抗太大，無法在很短的采樣時間內(nèi)給電容器充電，那么MUX和飛跨電容器就可能引入測量誤差。細致的開關(guān)電容器設(shè)計可消除這個誤差項。

由ADC進行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換還可能由于器件失配而引入誤差。其次，細致的設(shè)計與器件微調(diào)相結(jié)合，可降低ADC引起的誤差。

AFE IC的基本限制來自電壓基準

假如電壓基準下降了1%，則所有的讀數(shù)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(jié)的雪崩擊穿(一個齊納基準)、兩個基極-發(fā)射極電壓之差(一個帶隙基準)、或一個電容器上存儲的電荷(一個EPROM基準)。每個AFE IC在生產(chǎn)中都進行了微調(diào)，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，電壓基準可能隨著時間、溫度、濕度和印刷電路板(PCB)組裝應(yīng)力的不同而產(chǎn)生極大的變化。這導致一些IC廠商只提出“典型”準確度，而關(guān)于AFE IC在真實世界中會怎樣表現(xiàn)則未提供指導。

要在嚴酷的汽車環(huán)境中運行，最佳技術(shù)是齊納基準。數(shù)年來，凌力爾特新的LTC6804 AFE電池組監(jiān)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)品有了顯著改進，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(yīng)力。AFE IC在焊接過程中會遭受幾種熱沖擊。在塑料封裝和銅引線框架的膨脹和收縮過程中，芯片會經(jīng)受機械應(yīng)力。帶隙基準的表現(xiàn)就像一個應(yīng)變計，將機械應(yīng)力轉(zhuǎn)換成基準電壓的變化。電壓基準的任何變化都會直接降低電池測量的準確度。PCB器件應(yīng)力的影響示于圖3，在熱沖擊之前和之后對10個AFE IC(3種類型)進行了測量?；鶞势埔噪姵販y量誤差(單位是mV)來表示(假設(shè)采用的是一個3.3V電池)。