电池监视器应对电动汽车的电池管理挑战

作者：凌力尔特公司信号调理产品市场经理 Brian Black

最近，电池技术的进步已经在汽车市场实现了一些最令人振奋的创新，因此产生了一代又一代最新电动型汽车(EV)和混合动力/电动型汽车(HEV)。诸如能量存储系统(ESS)等最新应用也开始出现，这对于能量如何产生、分配及存储带来了革命性的改变。使这类系统的设计师面临着巨大的成本、设计灵活性、电池组可靠性和寿命以及安全性的挑战。

电池组能否很好地应对每一种设计挑战，电池管理系统(BMS)起着决定性作用。BMS的核心是电池监视集成电路(IC)。这种IC用来测量单个电池的电压，以确定充电状态和电池组健康状况。

电池监视器IC最关键的特性是准确度、数据可靠性及故障可检测性。监视器IC的准确度直接影响系统成本、电池组可靠性及寿命。每节电池的容量都是有限的，必须仔细加以管理。过度充电可能引起安全性和可靠性问题，而过度放电则可能影响电池的寿命。如果使用准确度不那么高的监视器IC，就要求系统设计师采用较大的“保护带”，以抵御过压和欠压影响，因此限制了汽车的总体可用电池容量。准确度较高的监视器IC可以更充分地利用每节电池的总容量，从而降低了电池组系统的总体成本。

为了随时间和工作条件的变化提供最高准确度，凌力尔特在LTC6804电池监视器IC(图1)中采用了掩埋式齐纳电压基准。这可以保证电池电压总体测量误差低于1.2mV。为了在电气噪声以及从逆变器、执行器、开关、继电器等导致瞬态存在的情况下保持最高准确度的测量，LTC6804采用了内置三阶噪声滤波的增量累加ADC。


图1：凌力尔特的LTC6804能够以16位分辨率和好于0.04%的准确度测量多达12个电压高达4.2V和串联连接的电池

理想情况下，一个电池组会分成多个较小的模块，这些模块分布在汽车各处，以实现更高的设计灵活性和重量分布。挑战是，这些电池模块需要在充满电气噪声以及物理条件非常严酷的环境中传达敏感的测量数据。CANbus本来是用来在严酷的汽车环境中提供可靠通信，但是原始 BMS数据的吞吐量要求以及组件成本一直使CANbus无法用于电动型汽车和混合动力/电动型汽车中。由于这个原因，凌力尔特开发了isoSPI接口，可通过长达100m的电缆提供低成本可靠通信。LTC6804内置的isoSPI接口与伴随器件LTC6820 isoSPI通信接口IC一起，再加上一些类似于以太网中所用的那类纤巧变压器和一个平衡线对，就可提供高达1Mbps的数据速率，而不会产生与 CANbus有关的成本问题。isoSPI接口为无误差传输而设计，同时能够通过严格的大电流注入 (BCI) 干扰测试。实际上，在凌力尔特公司进行的测试显示，在超级严酷的200mA BCI情况下，所有性能都达到了测试标准，而且在几家主要汽车公司进行的测试得到了同样的结果，因此 isoSPI链路用于汽车底盘束线布线是完全合格的。

安全性是电动型汽车制造商的头等大事。随着电子组件越来越广泛地用于汽车中，人们也越来越关注这些组件的工作对安全性的影响。凌力尔特多年来一直是大型汽车客户的供应商，并致力于不断改进已经非常卓越的产品质量和可靠性。此外，电池组设计师希望IC制造商提供全面的故障检测。为保证汽车安全而设计的电池监视器符合ISO26262标准，并包括冗余电路、自测试功能、看门狗定时器、以及通信误差检测和矫正功能。

随着电动型汽车和混合动力/电动型汽车日益流行，电池组系统设计师将致力于不断降低成本、提高性能和安全性。由于认识到电池监视器IC在这些方面的关键作用，汽车设计师将采用可提供最高准确度、可靠性及最强故障检测能力的IC。