用电子组件提高电动型汽车的电池性能

图 3：生产之后的测量误差。由于真实世界因素 (a) PCB 组装应力、 (b) 湿度变化、 (c) 所测得的基准漂移和 (d) 估计的长期基准漂移而产生的 3.3V 电池测量误差。

湿度是另一个考虑因素。潮气渗进塑料封装，并改变机械应力。对应力敏感的基准会出现电压变化。最后，还有长期漂移。在 IC 封装组装过程中，芯片会受到应力。这种应力随着时间推移而缓慢释放，导致基准产生变化。在运行数千小时以后，这种影响会减小，这就是长期漂移规定以 ppm/√kHr 为单位的原因。图 3 显示了 3000 小时以后所测得的漂移以及预计 15 年以后的漂移。

总之，提高电池测量准确度可提高性能。就真实世界应用的测量准确度而言，采用齐纳电压基准的 AFE IC 是最佳技术，正如图 3 中的产品比较所示。

新的隔离式数据链实现模块化电池组

电池组设计师受到激励开发模块化系统。16kW-hr 的电池也许不便于放入汽车内的单个舱中。此外，为了经济的适用性和保修，8,000 欧元 (10,235 美元) 的电池组可以分成小的模块。而且，单个模块化电池组设计可以扩大或缩小，以满足很多不同汽车平台的需求。

倘若把一个大型电池组拆分成若干个较小的模块，则会使电气连接的设计变得复杂化。在电池模块和控制电路之间传输数据需要一个线束。线束将遭受严重的电磁干扰 (EMI)。必须仔细注意数据通信硬件和软件。AFE IC 领域的新发明可以极大地降低数据通信的成本，同时保护电池组免受 EMI 影响。

2012 年生产具备模块化电池组的汽车一般采用结合的 CAN (控制器局域网) 通信和数字隔离器，如图 4 所示。CAN 用两条导线提供坚固的通信。一个小型微处理器 (MPU) 将数据从 CAN 协议转换到 AFE IC 更简单的 SPI 或 I2C 协议。模块之间的隔离由一个数字隔离器 IC 提供，这有时需要一个隔离式电源。CAN 收发器、MPU 和隔离器 IC 合起来的成本大约为 3.5 欧元 (4.50 美元)。

图 4：运用 CAN 的隔离式数据通信
CONTROL MODULE：控制模块
BATTERY MODULE：电池模块
12 CELLS：12 节电池
~3.5€：大约 3.5 欧元

新的 LTC6804 AFE IC 消除了 CAN 的成本和软件复杂性问题，同时在模块之间提供坚固和隔离式两线数据传送。图 5 显示，用 LTC6804 的 isoSPI 端口与一个简单的脉冲变压器相结合，实现了电池模块的互连。另一种凌力尔特 IC 是 LTC6820 隔离式 SPI 接口 IC，将任何微处理器的 SPI端口连接到 isoSPI 总线。来自微处理器的时钟、数据和芯片选择信号由 LTC6820 编码成不同的脉冲。LTC6804 将这些脉冲解码回时钟、数据和芯片选择信号。微处理器将 LTC6804 AFE IC 看作一个简单的 SPI 外围设备。透明的 isoSPI 总线提供电流隔离和抵抗 EMI 的能力。

图 5：运用 isoSPI 实现的隔离式数据通信
CONTROL MODULE：控制模块
BATTERY MODULE：电池模块
12 CELLS：12 节电池

isoSPI 脉冲的信号强度和两线连接的阻抗是可调的。通过改变电阻器的值 (未显示)，用户可以提高信号电流。这种灵活性意味着，isoSPI 总线可以定制以通过 100 米电缆通信并抑制高干扰电平。LTC6804 AFE IC 包括 15 位循环冗余校验 (CRC)，以确保数据的完整性。图 6 说明了大电流注入 (BCI) 测试的结果。BCI 测量一个系统的抗电磁干扰性。RF 能量通过夹在电缆的探头注入。另一个探头测量所产生的 RF 电流。数据包通过电缆发送，CRC 用来查看是否有数据损坏。采用几种不同的 isoSPI 数据脉冲强度来重复测试。20mA isoSPI 数据脉冲不受 200mA RF 注入的影响。

RF Frequency：RF 频率
% of Good Data Packets：好数据包的比例 (%)
Data Errors with 200mA RF Interference Level：在 200mA RF 干扰时的数据误差
20mA isoSPI strength, no errors : 20mA isoSPI 强度，无误差
10mA isoSPI strength : 10mA isoSPI 强度
2mA isoSPO strength : 2mA isoSPI 强度


图 6：isoSPI 抗 RF 干扰能力

主动电荷平衡加速充电并增大能量

所有串联连接的电池都需要平衡。一节电池到另一节电池的自放电速率、电子负载和温度都不同。经过很多充电和放电周期后，这些差别导致电池电荷状态出现不容忽视的不平衡。电荷不平衡会降低电池组容量。例如，如果一节电池的电量比其他电池多 10%，这时给电池组加上充电电流，那么这节电池就会达到 80% 的充电状态限制，而其他电池则充电到 70%。电池组中的可用电量减少了 10%。被动平衡通过一个负载电阻器消耗单节电池的电量，对于在串联连接的电池组中平衡失配电池而言，这是成本最低和最简单的方式。大多数 AFE IC 都支持被动平衡。

被动平衡能效低且速度慢。典型的平衡电流范围为电池容量的 1% 至 5%。要从一个 40A-hr 的电池消耗 10% 的电量，在 I = 400mA 时需要 10 个小时，或者在 I = 2A 时产生 8W 的热量。很多电池都可能需要平衡。就大容量电池组而言，被动平衡器产生的热量是不可接受的，而高效率、大电流主动电荷平衡器是惟一可行的解决方案。

主动电荷平衡不仅能以更低的热量加速充电，而且有助于恢复容量。电池随着老化容量会下降。由于电池组的温度变化率和电池制造差异，随着时间推移，电池会有不同程度的老化。电池甚至有可能在维修时被替换。在采用被动平衡方式时，电池组的容量由最薄弱的一节电池决定。平衡电池组并充电至 80%。当最薄弱的电池达到 20% 时，电池组的放电就停止了。正确设计的主动电荷平衡系统将按照需要，高效率地在整个电池组中重新分配电荷，并基于平均容量的电池而不是最低容量的电池确保达到 20% 和 80% 状态。为了最大限度地延长电池组的运行时间，在电池组的充电和放电过程中，都必须对电池加以平衡。

LTC3300 和 LT8584 等的新 IC 将在汽车电池组中实现主动电荷平衡。LTC3300 (图 7) 为满足大型电池系统的双向主动平衡需求而设计。