基于適用于大功率電池包的電池管理架構解析

汽車和工業設備制造商一般要求電池壽命超過10年，這些制造商還會規定所需的可用電池容量。對電池系統設計師的挑戰是要怎么樣用最小的電池包實現最大的容量。為了實現這個目標，電池系統非得用精準的電子組件仔細控制和監視電池。

大功率電池包系統

用于電動車或工業設備的大功率電池包系統由很多串聯疊置的電池包成。一個典型的電池蘊含有的電池可能有96個之多，就充電至4.2V的鋰電池而言，總共能出現超過400V的電壓。

盡管系統將電池包看作單個高壓電池，對電池包中的電池同時充電或放電，但是電池控制系統非得獨立考慮每一個電池的狀態。倘若電池包中一個電池的容量比其他電池略低，那么經過多個充電/放電周期之后，其充電狀態(SOC)將逐漸偏離其余的電池。倘若這節電池與其余電池的充電狀態沒有周期性地進行均衡，那么該電池最終將進入深度放電狀態，從而損壞，并最終導致電池包故障。因此，非得監視每節電池的電壓，以確定充電狀態。此外，還非得預先采取措施，使電池能單獨充電或放電，以均衡電池之間的充電狀態。

與監視系統通信

電池包監視系統要考慮的一個緊要因素是通信接口。就印刷電路板(pCB)內部的通信而言，常見的選擇包括：串行外圍接口(SpI)總線;內置集成電路(I2C)總線。這兩種接口的通信開銷都很低，適合于低干擾環境。

另一種選擇是CAN總線，該接口在汽車使用中得到了廣泛采用。CAN總線非常可靠，具有差錯測試和容錯能力，但是通信開銷很大，材料成本很高。盡管從電池系統到主CAN總線有一個接口也許是可取的，但在電池包內部，SpI或I2C通信是有利的。

諸如凌力爾特的LTC6802電池包監視器IC等器件測量由多達12節電池包成的電池包的電壓，多個LTC6802可以從電池包的低端到頂端串聯疊置，該器件還有內部開關，準許單節電池放電，以使該電池與電池包中其余電池的容量達到均衡狀態。

為了說明這種電池包架構，我們考慮一個有96節鋰電池的系統。監視整個電池包要8個電池包IC，每個器件都以不同的電壓工作。

采用4.2V鋰電池，底端監視器件監視12個電池，電壓從0V至50.4V。下一組電池的電壓范圍為50.4V至100.8V，沿著電池包向上依此類推。

這些器件以不同電壓工作，它們之間的通信帶來了巨大挑戰。人們已經考慮了各種辦法，考慮到系統設計師的側重點不同，每種辦法都有各自的優勢和缺點。

電池監視的要求

在確定電池監視系統的架構時，至少要均衡5個緊要的要求。這些要求的相對緊要性視最終客戶的需求和期待的不同而不同。

1.準確度：為了充足利用最大的電池容量，電池監視器非得是準確的。不過，汽車和工業系統洋溢噪聲，電磁干擾存在于很寬的頻率范圍內。準確度有任何損失都將給電池包的壽命和性能帶來負面影響。

2.可靠性：無論使用什么樣的電源，汽車和工業制造商都非得滿足極高的可靠性標準。此外，某些電池的高能量容量和潛在的易變性也是緊要的安全隱憂。在保守條件下停機的故障保險系統比較適合災難性電池故障，盡管這種系統有可能不幸使乘客滯留或使加工線暫停。因此，電池系統非得仔細監視和控制，以確保在系統的整個壽命期內實現全面控制。為了最大限度地減少虛假和真切故障，一個良好設計的電池包系統非得保證可靠的通信、采用可最大限度地減少故障的模式、和具備故障測試。

3.可制造性：新式汽車中含有種類繁多的電子組件和復雜的布線線束。新增復雜的電子組件和配線以支持電動車/混合電動車(EV/HEV)電池系統會給汽車制造帶來更多挑戰。非得最大限度地減少組件和連線，以滿足嚴格的尺寸和重量限制，并確保大批量加工是實際可行的。

4.成本：復雜的電子控制系統可能很昂貴。最大限度地減少相對昂貴的組件(如微控制器、接口控制器、電流隔離器和晶體)可以顯著降低系統的總體成本。

5.功率：電池監視器本身也是電池的負載。較低的工作電流可提高系統效率，而當汽車或設備封閉時，較低的備用電流可戒備電池過度放電。

電池監視

下面解析了電池監視系統的4種架構。每種架構都設計為自主電池監視系統，并假定系統由96個電池包成，12個電池為一組，分成8組(參見表1)。每組都有一個至主CAN總線的CAN接口，而且與系統其余部分是電流隔離的。

表1：電池監視架構比較

并聯獨立CAN模塊(圖1)

每個由12個電池包成的模塊都含有一個pC板，板上有一個LTC6802、一個微控制器、一個CAN接口和一個電流隔離變壓器。系統所需的大量電池監視數據使主CAN總線難以應付，因此CAN模塊非得在CAN子網上。CAN子網由一個主控制器協調，該主控制器也為主CAN總線供應網關。

圖1：并聯獨立CAN模塊

具CAN網關的并聯模塊(圖2)

每個由12節電池包成的模塊都含有一個pC板，板上有一個LTC6802和一個數字隔離器。這些模塊具有至控制器電路板的獨立接口連接，該控制器電路板上含有一個微控制器、一個CAN接口和一個電流隔離變壓器。微控制器協調這些模塊，并為主CAN總線供應網關。

圖2：具CAN網關的并聯模塊的方框圖

具CAN網關的單個監視模塊(圖3)

在這種配置中，由12節電池包成的模塊中沒有監視和控制電路。取而代之的是，單個pC板含有8個LTC6802監視器IC，每個監視器IC都連接至其電池模塊。LTC6802器件通過非隔離式SpI兼容的串行接口通信。單個微控制器通過SpI兼容的串行接口控制整組電池監視器，該微控制器也是至主CAN總線的網關。CAN收發器和電流隔離變壓器是該電池監視系統的最后兩個組件。

圖3：具CAN網關的單個監視模塊的方框圖

具CAN網關的串聯模塊(圖4)

這種架構類似于單個監視模塊，除了每個LTC6802都在由12個電池包成的模塊內部的pC板上。8個模塊通過LTC6802非隔離式SpI兼容串行接口通信，這在電池模塊之間要連接3或4條傳導電纜。單個微控制器通過底端監視器IC控制整組電池監視器，并作為至主CAN總線的網關。CAN收發器和電流隔離變壓器依然是電池監視系統的最后兩個組件。

圖4：具CAN網關的串聯模塊的方框圖

電池監視架構選擇

第一種和第二種架構一般而言比較具有挑戰性，因為并行接口要大量連接和外部隔離。為了應對這種復雜性的提高，設計師采用了獨立地與每個監視器器件通信的辦法。第三種(具CAN網關的單個監視模塊)和第四種(具CAN網關的串聯模塊)架構采用了簡化的辦法，所受限制最少。

LTC6802可以滿足所有4種配置的需求，為系統設計師留出了選擇余地。該器件的兩個變體也已開發出來，一個用于串聯配置，另一個用于并聯配置。LTC6802-1用于疊置式SpI接口配置。多個器件可以通過一個接口串聯連接，該接口無需外部電平移位器或隔離器，就可沿著電池包來回發送數據。LTC6802-2準許用單個器件滿足并聯架構的需求。兩種變體有相同的電池監視性能規格和功能。

電動車和大功率工業設備向電池包提出了大量要求。制造商期待用經濟實惠的電池系統滿足嚴格的可靠性要求。最新的電池監視IC使系統設計師能在無性能折衷的前提下，靈活地選擇最佳電池包架構。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除