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混合動(dòng)力電動(dòng)型汽車(chē)電池中的電子組件是提高性能和安全性的關(guān)鍵。在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新技術(shù)使電池組設(shè)計(jì)師能進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能。更高的測(cè)量準(zhǔn)確度、更堅(jiān)固的數(shù)據(jù)鏈路和電池容量的主動(dòng)電荷平衡都幫助實(shí)現(xiàn)了更低的成本、更長(zhǎng)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(cè)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(cè)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\(yùn)用電池?cái)?shù)據(jù)計(jì)算電池組的電荷狀態(tài)和健康狀態(tài)。控制器可能命令前端 IC 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)。

圖 1：電池組方框圖
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(xiàn)
ISOLATION BARRIER：隔離勢(shì)壘
AFE IC：模擬前端 (AFE) IC
MEASURE & BALANCE：測(cè)量與平衡
12 SERIES LI-ION CELLS：12 節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池
 
更高的準(zhǔn)確度意味著更低的成本
模擬前端 IC的測(cè)量準(zhǔn)確度對(duì)系統(tǒng)成本有直接影響。需要準(zhǔn)確的測(cè)量以實(shí)現(xiàn)有用的電荷狀態(tài) (SOC) 計(jì)算。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命，電池組一般在 20% 至 80% 的 SOC 之間工作。如果在 SOC 計(jì)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(dǎo)致電池的成本顯著增大。給一個(gè) 16kW-hr 電池組增加 5% 的容量，需要約 360 歐元 (460 美元)。改進(jìn) SOC 計(jì)算以實(shí)現(xiàn) 1% 的誤差意味著，每個(gè)電池組能節(jié)省約 300 歐元 (385 美元)。
電池電壓測(cè)量是 SOC 算法的關(guān)鍵要素。當(dāng)測(cè)量 3.3V LiFePO (磷酸鐵鋰) 電池時(shí)，IC 電源和電池組開(kāi)發(fā)人員都集中采用總測(cè)量誤差 1mV 的規(guī)格。
對(duì)于諸如售價(jià) 480 歐元 (615 美元) 的 Fluke-289 手持式萬(wàn)用表等實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，測(cè)量 3.3V 至 1mV 以?xún)?nèi)的電壓是司空見(jiàn)慣的。AFE IC 必須以 1/100 的成本提供相同的性能，并在汽車(chē)環(huán)境中連續(xù)工作 15 個(gè)年。只有為數(shù)不多的 IC 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。
 
真實(shí)世界中的準(zhǔn)確度
什么樣的 IC 技術(shù)最適合電池測(cè)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(gè)串接電池之一由多路復(fù)用器 (MUX) 模塊來(lái)選擇。通過(guò)閉合“S”開(kāi)關(guān)把電池電壓存儲(chǔ)在一個(gè)電容器上。斷開(kāi)“S”開(kāi)關(guān)，然后閉合“T”開(kāi)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(zhǔn)進(jìn)行比較，并產(chǎn)生一個(gè)與 VCELL 和 VREF 之比成比例的數(shù)字結(jié)果。

圖 2：典型模擬前端 (AFE) IC
DATA I/O：數(shù)據(jù) I/O
VOLTAGE REFERENCE：電壓基準(zhǔn)
如果開(kāi)關(guān)的阻抗太大，無(wú)法在很短的采樣時(shí)間內(nèi)給電容器充電，那么 MUX 和飛跨電容器就可能引入測(cè)量誤差。細(xì)致的開(kāi)關(guān)電容器設(shè)計(jì)可消除這個(gè)誤差項(xiàng)。
由 ADC 進(jìn)行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換還可能由于組件失配而引入誤差。其次，細(xì)致的設(shè)計(jì)與組件微調(diào)相結(jié)合，可降低 ADC 引起的誤差。
 
AFE IC 的基本限制來(lái)自電壓基準(zhǔn)
假如電壓基準(zhǔn)下降了 1%，則所有的讀數(shù)都將增加1%。電壓基準(zhǔn)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(gè)齊納基準(zhǔn))、兩個(gè)基極-發(fā)射極電壓之差 (一個(gè)帶隙基準(zhǔn))、或一個(gè)電容器上存儲(chǔ)的電荷 (一個(gè) EPROM 基準(zhǔn))。每個(gè) AFE IC 在生產(chǎn)中都進(jìn)行了微調(diào)，以使電壓基準(zhǔn)的初始值非常準(zhǔn)確。不幸的是，視 IC 技術(shù)的不同而不同，電壓基準(zhǔn)可能隨著時(shí)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(dǎo)致一些 IC 廠(chǎng)商只提出“典型”準(zhǔn)確度，而關(guān)于 AFE IC 在真實(shí)世界中會(huì)怎樣表現(xiàn)則未提供指導(dǎo)。
要在嚴(yán)酷的汽車(chē)環(huán)境中運(yùn)行，最佳技術(shù)是齊納基準(zhǔn)。數(shù)年來(lái)，凌力爾特新的 LTC6804 AFE 電池組監(jiān)視器 IC 運(yùn)用齊納電壓基準(zhǔn)技術(shù)，以保持優(yōu)于所需的準(zhǔn)確度。LTC6804 比前一代產(chǎn)品有了顯著改進(jìn)，前一代產(chǎn)品依靠帶隙電壓基準(zhǔn)。例如，考慮 PCB 組裝所產(chǎn)生的應(yīng)力。AFE IC 在焊接過(guò)程中會(huì)遭受幾種熱沖擊。在塑料封裝和銅引線(xiàn)框架的膨脹和收縮過(guò)程中，芯片會(huì)經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力。帶隙基準(zhǔn)的表現(xiàn)就像一個(gè)應(yīng)變計(jì)，將機(jī)械應(yīng)力轉(zhuǎn)換成基準(zhǔn)電壓的變化。電壓基準(zhǔn)的任何變化都會(huì)直接降低電池測(cè)量的準(zhǔn)確度。PCB 組件應(yīng)力的影響示于圖 3，在熱沖擊之前和之后對(duì) 10 個(gè) AFE IC (3 種類(lèi)型) 進(jìn)行了測(cè)量。基準(zhǔn)漂移以電池測(cè)量誤差 (單位是 mV) 來(lái)表示 (假設(shè)采用的是一個(gè) 3.3V 電池)。
 
mV of additional measurement error due to PCB assembly
由于 PCB 組裝而產(chǎn)生的額外測(cè)量誤差 (單位 mV)
Number of units out of 10:  從10 個(gè)單元的數(shù)量
Competitor :  競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件

Hours in the tes chamber with, then without a cup of water
在有、然后是沒(méi)有一杯水的測(cè)量室中的時(shí)間 (小時(shí))
mV of additiaonl measurement error due to humidity
由于濕度而產(chǎn)生的額外測(cè)量誤差 (單位 mV)
Competitor : 競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的器件

Years of Operation : 工作年限
mV of additional measurement error due to long term reference drift
由于長(zhǎng)期基準(zhǔn)漂移而產(chǎn)生的額外測(cè)量誤差 (單位 mV)
LTC6802 Worst Case Measured bandgap Drift
LTC6802 在最差情況下測(cè)得的帶隙漂移
LTC6804 Worst Case Measured Zener Drift (data from LT1021)
LTC6804 在最差情況下測(cè)得的齊納漂移 (數(shù)據(jù)來(lái)自 LT1021)

Years of Operation : 工作年限
mV of additional measurement error due to long term reference drift
由于長(zhǎng)期基準(zhǔn)漂移而產(chǎn)生的額外測(cè)量誤差 (單位 mV)
Estimated mV Error = X * 3.3. / (SQRT
估計(jì)的 mV 誤差 = X * 3.3/ [√ (小時(shí)/1000)] / 1000
 (LTC6802 和其他基于帶隙的 AFE IC)
圖 3：生產(chǎn)之后的測(cè)量誤差。由于真實(shí)世界因素 (a) PCB 組裝應(yīng)力、 (b) 濕度變化、 (c) 所測(cè)得的基準(zhǔn)漂移和 (d) 估計(jì)的長(zhǎng)期基準(zhǔn)漂移而產(chǎn)生的 3.3V 電池測(cè)量誤差。
濕度是另一個(gè)考慮因素。潮氣滲進(jìn)塑料封裝，并改變機(jī)械應(yīng)力。對(duì)應(yīng)力敏感的基準(zhǔn)會(huì)出現(xiàn)電壓變化。最后，還有長(zhǎng)期漂移。在 IC 封裝組裝過(guò)程中，芯片會(huì)受到應(yīng)力。這種應(yīng)力隨著時(shí)間推移而緩慢釋放，導(dǎo)致基準(zhǔn)產(chǎn)生變化。在運(yùn)行數(shù)千小時(shí)以后，這種影響會(huì)減小，這就是長(zhǎng)期漂移規(guī)定以 ppm/√kHr 為單位的原因。圖 3 顯示了 3000 小時(shí)以后所測(cè)得的漂移以及預(yù)計(jì) 15 年以后的漂移。
總之，提高電池測(cè)量準(zhǔn)確度可提高性能。就真實(shí)世界應(yīng)用的測(cè)量準(zhǔn)確度而言，采用齊納電壓基準(zhǔn)的 AFE IC 是最佳技術(shù)，正如圖 3 中的產(chǎn)品比較所示。

新的隔離式數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)模塊化電池組
電池組設(shè)計(jì)師受到激勵(lì)開(kāi)發(fā)模塊化系統(tǒng)。16kW-hr 的電池也許不便于放入汽車(chē)內(nèi)的單個(gè)艙中。此外，為了經(jīng)濟(jì)的適用性和保修，8,000 歐元 (10,235 美元) 的電池組可以分成小的模塊。而且，單個(gè)模塊化電池組設(shè)計(jì)可以擴(kuò)大或縮小，以滿(mǎn)足很多不同汽車(chē)平臺(tái)的需求。
倘若把一個(gè)大型電池組拆分成若干個(gè)較小的模塊，則會(huì)使電氣連接的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜化。在電池模塊和控制電路之間傳輸數(shù)據(jù)需要一個(gè)線(xiàn)束。線(xiàn)束將遭受?chē)?yán)重的電磁干擾 (EMI)。必須仔細(xì)注意數(shù)據(jù)通信硬件和軟件。AFE IC 領(lǐng)域的新發(fā)明可以極大地降低數(shù)據(jù)通信的成本，同時(shí)保護(hù)電池組免受 EMI 影響。
2012 年生產(chǎn)具備模塊化電池組的汽車(chē)一般采用結(jié)合的 CAN (控制器局域網(wǎng)) 通信和數(shù)字隔離器，如圖 4 所示。CAN 用兩條導(dǎo)線(xiàn)提供堅(jiān)固的通信。一個(gè)小型微處理器 (MPU) 將數(shù)據(jù)從 CAN 協(xié)議轉(zhuǎn)換到 AFE IC 更簡(jiǎn)單的 SPI 或 I²C 協(xié)議。模塊之間的隔離由一個(gè)數(shù)字隔離器 IC 提供，這有時(shí)需要一個(gè)隔離式電源。CAN 收發(fā)器、MPU 和隔離器 IC 合起來(lái)的成本大約為 3.5 歐元 (4.50 美元)。

圖 4：運(yùn)用 CAN 的隔離式數(shù)據(jù)通信
CONTROL MODULE：控制模塊
BATTERY MODULE：電池模塊
12 CELLS：12 節(jié)電池
3.5：大約 3.5 歐元
新的 LTC6804 AFE IC 消除了 CAN 的成本和軟件復(fù)雜性問(wèn)題，同時(shí)在模塊之間提供堅(jiān)固和隔離式兩線(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。圖 5 顯示，用 LTC6804 的 isoSPI 端口與一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖變壓器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電池模塊的互連。另一種凌力爾特 IC 是 LTC6820 隔離式 SPI 接口 IC，將任何微處理器的 SPI端口連接到 isoSPI 總線(xiàn)。來(lái)自微處理器的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和芯片選擇信號(hào)由 LTC6820 編碼成不同的脈沖。LTC6804 將這些脈沖解碼回時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和芯片選擇信號(hào)。微處理器將 LTC6804 AFE IC 看作一個(gè)簡(jiǎn)單的 SPI 外圍設(shè)備。透明的 isoSPI 總線(xiàn)提供電流隔離和抵抗 EMI 的能力。

圖 5：運(yùn)用 isoSPI 實(shí)現(xiàn)的隔離式數(shù)據(jù)通信
CONTROL MODULE：控制模塊
BATTERY MODULE：電池模塊
12 CELLS：12 節(jié)電池
isoSPI 脈沖的信號(hào)強(qiáng)度和兩線(xiàn)連接的阻抗是可調(diào)的。通過(guò)改變電阻器的值 (未顯示)，用戶(hù)可以提高信號(hào)電流。這種靈活性意味著，isoSPI 總線(xiàn)可以定制以通過(guò) 100 米電纜通信并抑制高干擾電平。LTC6804 AFE IC 包括 15 位循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)，以確保數(shù)據(jù)的完整性。圖 6 說(shuō)明了大電流注入 (BCI) 測(cè)試的結(jié)果。BCI 測(cè)量一個(gè)系統(tǒng)的抗電磁干擾性。RF 能量通過(guò)夾在電纜的探頭注入。另一個(gè)探頭測(cè)量所產(chǎn)生的 RF 電流。數(shù)據(jù)包通過(guò)電纜發(fā)送，CRC 用來(lái)查看是否有數(shù)據(jù)損壞。采用幾種不同的 isoSPI 數(shù)據(jù)脈沖強(qiáng)度來(lái)重復(fù)測(cè)試。20mA isoSPI 數(shù)據(jù)脈沖不受 200mA RF 注入的影響。

RF Frequency：RF 頻率
% of Good Data Packets：好數(shù)據(jù)包的比例 (%)
Data Errors with 200mA RF Interference Level：在 200mA RF 干擾時(shí)的數(shù)據(jù)誤差
20mA isoSPI strength, no errors : 20mA isoSPI 強(qiáng)度，無(wú)誤差
10mA isoSPI strength : 10mA isoSPI 強(qiáng)度
2mA isoSPO strength : 2mA isoSPI 強(qiáng)度

圖 6：isoSPI 抗 RF 干擾能力
 
主動(dòng)電荷平衡加速充電并增大能量
所有串聯(lián)連接的電池都需要平衡。一節(jié)電池到另一節(jié)電池的自放電速率、電子負(fù)載和溫度都不同。經(jīng)過(guò)很多充電和放電周期后，這些差別導(dǎo)致電池電荷狀態(tài)出現(xiàn)不容忽視的不平衡。電荷不平衡會(huì)降低電池組容量。例如，如果一節(jié)電池的電量比其他電池多 10%，這時(shí)給電池組加上充電電流，那么這節(jié)電池就會(huì)達(dá)到 80% 的充電狀態(tài)限制，而其他電池則充電到 70%。電池組中的可用電量減少了 10%。被動(dòng)平衡通過(guò)一個(gè)負(fù)載電阻器消耗單節(jié)電池的電量，對(duì)于在串聯(lián)連接的電池組中平衡失配電池而言，這是成本最低和最簡(jiǎn)單的方式。大多數(shù) AFE IC 都支持被動(dòng)平衡。
被動(dòng)平衡能效低且速度慢。典型的平衡電流范圍為電池容量的 1% 至 5%。要從一個(gè) 40A-hr 的電池消耗 10% 的電量，在 I = 400mA 時(shí)需要 10 個(gè)小時(shí)，或者在 I = 2A 時(shí)產(chǎn)生 8W 的熱量。很多電池都可能需要平衡。就大容量電池組而言，被動(dòng)平衡器產(chǎn)生的熱量是不可接受的，而高效率、大電流主動(dòng)電荷平衡器是惟一可行的解決方案。
主動(dòng)電荷平衡不僅能以更低的熱量加速充電，而且有助于恢復(fù)容量。電池隨著老化容量會(huì)下降。由于電池組的溫度變化率和電池制造差異，隨著時(shí)間推移，電池會(huì)有不同程度的老化。電池甚至有可能在維修時(shí)被替換。在采用被動(dòng)平衡方式時(shí)，電池組的容量由最薄弱的一節(jié)電池決定。平衡電池組并充電至 80%。當(dāng)最薄弱的電池達(dá)到 20% 時(shí)，電池組的放電就停止了。正確設(shè)計(jì)的主動(dòng)電荷平衡系統(tǒng)將按照需要，高效率地在整個(gè)電池組中重新分配電荷，并基于平均容量的電池而不是最低容量的電池確保達(dá)到 20% 和 80% 狀態(tài)。為了最大限度地延長(zhǎng)電池組的運(yùn)行時(shí)間，在電池組的充電和放電過(guò)程中，都必須對(duì)電池加以平衡。
LTC3300 和 LT8584 等的新 IC 將在汽車(chē)電池組中實(shí)現(xiàn)主動(dòng)電荷平衡。LTC3300 (圖 7) 為滿(mǎn)足大型電池系統(tǒng)的雙向主動(dòng)平衡需求而設(shè)計(jì)。

圖 7：采用 LTC6804 和 LTC3300 的監(jiān)視器和主動(dòng)電荷平衡解決方案
CHARGE SUPPLY：供應(yīng)電荷
CHARGE RETURN：電荷返回
NEXT CELL ABOVE：上節(jié)電池
NEXT CELL BELOW：下節(jié)電池
這采用了一種非隔離型同步反激式拓?fù)洌�一次最多可�?duì) 12 個(gè)或更多鄰接電池中的 6 個(gè)電池進(jìn)行電荷平衡。平衡電流可能高達(dá) 10A。通過(guò)將每個(gè)反激式變壓器的副端交錯(cuò)連接，電荷可從一個(gè)由 12 節(jié)電池組成的模塊傳送至一個(gè)模塊�？蓪�(shí)現(xiàn)非常高的傳送效率 (> 92%)，而且就典型的電池至電池失配情況而言，可以實(shí)現(xiàn)非常高的容量恢復(fù) (> 80%)。LT3300 可以通過(guò) LTC6804 上的串行端口來(lái)控制。這兩個(gè) IC 建立了準(zhǔn)確和易于使用的電池監(jiān)視器和平衡系統(tǒng)。
LT8584 (圖 8) 單片反激式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器用單向拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了主動(dòng)平衡。這種單向方式有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，即從一個(gè)給定電池向整個(gè)電池組重新分配電荷，從而提供高效率電池放電。這種拓?fù)淇赡軆H在放電方向移動(dòng)電荷，因此對(duì)給定電池的“充電”會(huì)比雙向方式的效率低。集成的 6A 電源開(kāi)關(guān)支持 2.5A 平均平衡電流。LT8584 還可以測(cè)量平衡電流、芯片溫度和電纜電阻。LT8584 直接連接到 LTC6804 AFE IC，實(shí)現(xiàn)了又一個(gè)易于使用兩個(gè) IC 來(lái)監(jiān)視和平衡的方案。

圖 8：采用 LTC6804 和 LT8584 的監(jiān)視器和主動(dòng)電荷平衡解決方案
MODULE：模塊
2.5A AVERAGE DISCHARGE 1：2.5A 平均放電電流 1
READ CELL PARAMETERS：讀電池參數(shù)
ENABLE BALANCING：實(shí)現(xiàn)平衡
BATTERY STACK MONITOR：電池組監(jiān)視器
 
新的 IC 提高性能并降低成本
LTC6804 等測(cè)量 IC 提供有保證的測(cè)量準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，因此電池組可從每節(jié)電池抽取最多能量。sioSPI 等簡(jiǎn)單的隔離式兩線(xiàn)通信方案最大限度地降低了組件成本，并提供抗電磁干擾能力。LTC3300 和 LT8584 主動(dòng)電荷平衡 IC 加速充電，并最大限度地提高電池容量。這些令人振奮的新 IC 是最先進(jìn)和面向新一代 (混合) 電動(dòng)型汽車(chē)電池組的產(chǎn)品。