電池知識
鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
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鋰離子、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、新能源
高壓電池組已廣泛用于許多工業和交通運輸業以外的范疇，通常可用作：以直流形式儲存輸電網電能的不間斷電源(UpS);48-V通信設備中的應急直流電源;起重機和電梯系統中的應急電源;以及緊急情況下驅動風力渦輪機的葉片。雖然本文討論汽車中電池包的使用，但一些根本問題在所有類型電池包中都會存在。
交通運輸使用中的電池包一般含有100塊甚至更多的電池，可提供數百伏電壓。一般公認50V或60V以上的電壓可以致命，而可能導致電子設備損壞的電壓則更低(考慮利用某些類型電化學反應的電池穩定性)，因此安全問題至關緊要。雖然這些電池包本身具有危險性，但依然非得與電池殼內的電池監控電子設備通信。因此，通信方式非得安全可靠。
高壓電池包中的電池結構
原始設備制造商一般要求將電池裝到保護殼中，稱為“電池組”，通常含有6到24塊串聯電池。含有較多電池的電池組體積更大，也不易放入典型的汽車空間中。相關的電池監控集成電路靠近受監控的電池，并由電池本身供電。是不是有必要監控各電池的電壓，取決于電池的化學原理。例如，我們非常知道基于鎳氫(NiMH)化學原理的高壓電池包性能，因此一般無需測量各電池電壓，只需測量特定電池組內所有電池的總電壓即可。而基于鋰離子(Li-Ion)化學原理的電池包，則必需監控各電池的電壓，以便測試電池串中的任一電池有無發生過壓或欠壓情況。一般不必測量各鋰電池的溫度，但應提供相關測量功能。因此，鎳氫電池包的監控電子設備比鋰電池包的監控電子設備簡單得多。圖1顯示一種構建和監控高壓電池包的常用辦法。
電池監控器IC通常解決6塊或12塊電池。目前，ADI公司提供兩種專用特殊用途(ASSp)產品用于電池監控：AD7280基于高速多路復用12位模數轉換器，主要用作主監控器;另一種器件基于一系列窗口比較器，用作備用或冗余監控器。本文不會深入討論這些產品，但仍需說明這些器件在電池包配置中要怎么樣通信。每個電池為上方電池的測量輸入確立共模電平。菊花鏈接口準許電池包的各AD7280筆直與其上或其下的AD7280通信(從而沿著堆疊上下傳遞數字信息)，而無需隔離。最底部AD7280的SpI接口用來與系統微控制器交換整個電池包的數據和控制信號。此處非得采用高壓電流隔離，以保護系統中的其它低壓電子器件。
圖1.電池包中的串聯電池監控和隔離
圖1中，串聯電池串的中間有一個開關或接觸器。一般情況下，無論汽車正常行駛還是停車，該開關始終閉合。車輛維修時或緊急情況下，需將該開關拉開或離開所在位置，禁止電池包端電極出現電池包電壓。為了不影響開關斷開所提供的隔離性能，非得確保沒有任何電子器件橋接開關端子。因此，開關斷開時，電池包的上半部分應與下半部分應保持電氣隔離。這意味著，電池包上半部分的電池數據非得通過其最底部的電池監控器通信，跨越隔離柵，傳輸至管理整個電池包數據流入流出的微解決器或微控制器。類似地，電池包下半部分也非得與此微解決器或微控制器隔離，因此也有與上半部分相同的隔離柵。
除電池監控器外，電池包中還有一個電流監控器，用來測量并報告電池包的電流。該監控器一般放在電池包底部，也需要考慮隔離。霍爾效應電流傳感器本身具有電流隔離功能，無需再配置隔離電路。不過，如果該電流傳感器采用分流元件，則相關的分流監控電路需要單獨的隔離柵。使用分流辦法測試電流越來越受歡迎，它比霍爾效應測試更穩定、更精確，而且價格也更有競爭力。使用低值分流電阻和低成本、高辨別率監控電子器件(例如通過AEC-Q100認證的AD820x和AD821x系列分流監控器，至今針對汽車插座的出貨量已超過1億片)，可以將自發熱降至極小，使這種辦法的傳統弊端不復存在。因此，除非電流測試監控器能夠接入最底部的電池監控器，共用其隔離柵，否則圖1中的系統需要三個獨立的隔離柵。
另一種頗受歡迎的構建電池包辦法是將電池組分為一系列電氣獨立的電池群組(圖2)。每個電池群組最底部的監控器跨越專用隔離柵，將本地電池狀況回傳給非隔離端的微控制器。
圖2.并行接入電池組的電池包
這種辦法會使用更多的數字隔離器，因此成本比圖1所示系統更高，但它可以同時要求所有電池群組報告電池包內電池監控器所監測到的信息，從而能在更短的時間內回讀所有電池數據。另一個好處是，當菊花鏈發生問題時，如斷線或連接器接觸不良等，備用監控器可以持續監控。將剩余電池組電壓與總電池包電壓進行相關分解，依然可以確定停止工作電池組的數據。
這種辦法的確需要更多電纜，由于高達75%的電磁兼容性(EMC)問題與輸入/輸出(I/O)端口有關，因此這可能會引發問題。I/O端口是一種開放式通路，供靜電放電電荷、快速瞬變放電電荷或浪涌進入一臺設備，以及供干擾信號逃逸——通過傳導I/O線路上的雜散信號，或者通過I/O電纜的輻射。電池包電纜較多的話，若不特別留意信號的穩定性以及所選的通信協議，其EMC性能會大幅下降。因此，與端口相連的I/O設備的EMC性能對于整臺設備的EMC性能至關緊要。
頗受歡迎的SpI通信協議適合同一印刷電路板(pCB)上的器件之間通信，但單端信號可能難以經由24至36英寸電線實現可靠傳輸，尤其在高噪聲環境中。如果數字信號要在板外傳輸，則謹慎起見，系統設計中可能需使用差分收發器，例如ADM485。這些收發器可以采用低端電源供電，無需筆直耗用電池包中的電池電源。
隔離技術是電池包通信的關鍵
為了提高電池包電壓，以便滿足重型私家車以及輕型卡車、貨車的更高功率電機需求，非得增加電池包中的電池數量。除了增加串聯電池數量之外，今朝的許多電池組還含有并聯電池串，目的是提高整個電池組的安培小時(AH)容量。非得監控各并聯電池串，因而需要收集大量數據。與所有這些電池相關的電池監控器數據，非得在系統集成商設定的系統環路時間要求范圍內，可靠地回傳給電池測量系統(BMS)微控制器。
因此，跨過系統間邊界提供可靠數據通信的難度也隨之增加。獲得汽車使用認證的隔離技術，正是跨過典型電池包內如此眾多的隔離邊界實現可靠通信的關鍵因素，ADI公司就能夠提供這種技術。該技術的基礎是“磁隔離”，變壓器則采用高性價比標準CMOS工藝以平面方式制造(參見圖3)。這有利于將多個隔離通道集成到單個器件中，或者將隔離通道與其它半導體功能，如線路驅動器和模數轉換器等(例如隔離Σ-Δ調制器AD7400)集成于一體。
圖3.四通道隔離器ADuM1402功能框圖
不像光耦合器，這些iCoupler?數字隔離器的性能在汽車整個使用期限內都不會下降，可以適應因季節變化常常會遇到的惡劣工作條件。表1所列為最近發布的系列器件，這些器件已通過AEC-Q100認證，工作溫度最高可達125°C，所用材料與ADI公司iCoupler系列產品中廣泛認可的對應器件相同，至今該系列出貨量已超過3億片。表中雙通道、3通道和4通道數字隔離器系列的數據速率最高可達25Mbps，傳播延遲低至32ns。
平面變壓器本身是雙向的，因此信號可以沿任一方向傳送。在總通道數范圍內，驅動通道和接收通道可以任意組合使用。例如，雙通道ADuM120xW、3通道ADuM130xW和4通道ADuM140xW單獨或一起可提供7種不同的通道配置(4-0、3-1、2-2、3-0、2-1、2-0、1-1)，確保所有情形下都能采用最佳處理方案。圖4歸納了可提供的各種不同配置。
圖4.ADuM120xW/ADuM130xW/ADuM140xW的七種不同配置
iCoupler技術有兩個突出特點：支持高數據速率，以及可以采用低電源電流工作。iCoupler通道耗用的電源電流主要取決于它所承載的數據速率。采用3V電源工作、數據速率最高為2Mbps時，ADuM140xWS兩端及所有四個通道的總電源電流典型值為1.6mA(最大值4mA)。因為在ADuM140xWS的隔離端或“熱”端，電源來自電池本身(通過一個穩壓器)，所以低功耗十分緊要。監控器也采用同一電壓源供電，因此，監控和通信電路所有元件的功耗越低越好。所有隔離產品均提供小尺寸、薄型、表貼8引腳SOIC_W或16引腳SOIC_W封裝，并且已通過UL、CSA和VDE安全認證。隔離額定值最高可達2.5kV(有效值)，工作電壓最高可達400V(有效值)。
iCoupler技術孕育出isopower集成式隔離電源
iCoupler技術最激動人心的一項成果是將電源輸送與信號傳輸集成在同一封裝中。今朝，利用與信號隔離所用的微變壓器相近的技術，可以跨過隔離柵輸送電源，從而為電池包中的數據隔離器提供完全集成的遠程供電處理方案。本地電源供給振蕩電路，它通過一個芯片級空芯變壓器切換電流。輸送至隔離端的電源經過整流和調節，穩定在3.3V或5V。隔離端控制器通過萌生一個pWM控制信號，對輸出進行反饋調節，該控制信號經由一個專用iCoupler數據通道送回本地端。pWM控制信號調制振蕩器電路，以控制送至隔離端的電源。使用反饋功能可以分明提高功率和功效比。
ADuM540xW是4通道數字隔離器，內置isopower?集成式隔離DC-DC轉換器;輸入電源為5.0V或3.3V時，可提供最高500mW的穩壓隔離功率。與標準iCoupler器件一樣，它可提供多種不同的通道配置和數據速率。由于isopower器件利用高頻開關元件通過其變壓器輸電，因此進行pCB布局時非得特別小心，確保符合電磁輻射標準。有關電路板布局考量因素的具體信息，請參考使用筆記AN-0971：“isopower器件的輻射控制提議”。ADuM540x系列目前正在進行AEC-Q100認證。
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