鋰離子（Li-Ion）電池是電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)的常用儲(chǔ)能方法。這些電池可提供的能量密度，在所有現(xiàn)有電池技術(shù)中是非常高的，但是，如果要最大限度地提升性能，那麼就須使用電池監(jiān)控系統(tǒng)（BMS）。先進(jìn)的BMS不僅能夠從電池組中提取大量的電荷，而且還可以透過(guò)更安全的方式管理充電和放電迴圈，從而延長(zhǎng)使用壽命。
精準(zhǔn)測(cè)量電池的充電狀態(tài)（SOC）可以延長(zhǎng)電池執(zhí)行時(shí)間或減輕重量。精密穩(wěn)定的元件在PCB裝配後無(wú)需工廠校準(zhǔn)。長(zhǎng)期穩(wěn)定性提高了安全性並可避免保修問(wèn)題。自我診斷功能有助於達(dá)到合適的汽車(chē)安全完整性等級(jí)（ASIL）。電池組是充滿電磁干擾（EMI）挑戰(zhàn)的環(huán)境，因此在設(shè)計(jì)資料通訊鏈路時(shí)要進(jìn)行特別處理，以確保測(cè)量晶片與系統(tǒng)控制器之間穩(wěn)健可靠的通訊。電纜和連接器是造成電池系統(tǒng)故障的主要原因，因此本文介紹無(wú)線解決方案。無(wú)線通訊設(shè)計(jì)提高可靠性並減輕系統(tǒng)總重量，進(jìn)而增加了每次充電的行駛里程。
簡(jiǎn)介
儲(chǔ)能單元必須能夠提供大容量，並且能以可控方式釋放能量。如果不能進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，那麼能量的儲(chǔ)存和釋放便會(huì)導(dǎo)致電池的災(zāi)難性故障，並最終引起火災(zāi)。電池可能會(huì)由於多種原因而發(fā)生故障，其中大多數(shù)與不當(dāng)使用有關(guān)。故障可能來(lái)自機(jī)械應(yīng)力或損壞，以及以深度放電、過(guò)度充電、過(guò)電流和熱過(guò)應(yīng)力等形式表現(xiàn)出的電氣超載。為了盡可能提高效率和安全性，電池監(jiān)控系統(tǒng)是不可少的。
BMS的主要功能，主要是透過(guò)監(jiān)控以下物理量使電池組中所有單顆電池保持在其安全工作區(qū)域（SOA）中：電池組充電和放電電流、單顆電池電壓以及電池組溫度?；哆@些數(shù)值，不僅可以使電池安全運(yùn)行，而且可以進(jìn)行SOC和健康狀態(tài)（SOH）計(jì)算。
BMS提供的另一個(gè)重要功能在於電池平衡。在電池組中，可以將單顆電池並聯(lián)或串聯(lián)放置，以達(dá)到所需的容量和工作電壓（高達(dá)1 kV或更高）。電池製造商試圖為電池組提供相同的電池，但這在物理上並不現(xiàn)實(shí)。即使很小的差異也會(huì)導(dǎo)致不同的充電或放電電平，而電池組中最弱的電池會(huì)嚴(yán)重影響電池組的整體性能。精確的電池平衡是BMS的一項(xiàng)重要功能，它可確保電池系統(tǒng)以其最大容量安全運(yùn)行。
BMS架構(gòu)
電動(dòng)汽車(chē)電池由幾個(gè)電池串聯(lián)組成。一個(gè)典型的電池組（具有96顆串聯(lián)電池）以4.2 V充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生超過(guò)400 V的總電壓。電池組中的電池?cái)?shù)越多，所達(dá)到的電壓就越高。所有電池的充電和放電電流都相同，但是必須對(duì)每顆電池上的電壓進(jìn)行監(jiān)控。
為了容納高功率汽車(chē)系統(tǒng)所需的大量電池，通常將多顆電池分成幾個(gè)模組，並分置於車(chē)輛的整個(gè)可用空間內(nèi)。典型模組擁有10到24顆電池，可以採(cǎi)用不同配置進(jìn)行裝配以適合多個(gè)車(chē)輛平臺(tái)。模組化設(shè)計(jì)可作為大型電池組的基礎(chǔ)。它允許將電池組分置於更大的區(qū)域，從而更有效地利用空間。
ADI 開(kāi)發(fā)了一系列電池監(jiān)控器，其能夠測(cè)量多達(dá)18顆串聯(lián)連接的電池。AD7284可以測(cè)量8顆電池，LTC6811可以測(cè)量12顆電池，LTC6813則可以測(cè)量18顆電池。圖一顯示了一個(gè)典型的具有96顆電池的電池組，分為8個(gè)模組，每個(gè)模組12個(gè)電池單元。
在本示例中，電池監(jiān)控器IC為可測(cè)量12顆電池的LTC6811。該IC具有0 V至5 V的電池測(cè)量範(fàn)圍，適合大多數(shù)電池化學(xué)應(yīng)用?？蓪⒍鄠€(gè)元件串聯(lián)，以便同時(shí)監(jiān)測(cè)很長(zhǎng)的高壓電池組。該元件包括每顆電池的被動(dòng)平衡。資料在隔離閘兩邊進(jìn)行交換並由系統(tǒng)控制器編譯，該控制器負(fù)責(zé)計(jì)算SOC、控制電池平衡、檢查SOH，並使整個(gè)系統(tǒng)保持在安全限制內(nèi)。
| 圖一 : 採(cǎi)用LTC6811 12通道測(cè)量IC、具有96顆電池的電池組架構(gòu)。 |
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為了在電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)的高EMI環(huán)境中支援分散式模組化拓?fù)?，穩(wěn)健的通訊系統(tǒng)必不可少。隔離CAN匯流排和ADI的isoSPI都提供了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案，適合在這種環(huán)境中進(jìn)行模組互聯(lián)。[1]儘管CAN匯流排為在汽車(chē)應(yīng)用中互聯(lián)電池模組提供了完善的網(wǎng)路，但它需要許多附加元件。例如，通過(guò)LTC6811的isoSPI介面實(shí)現(xiàn)隔離CAN匯流排需要增加一個(gè)CAN收發(fā)器、一個(gè)微處理器和一個(gè)隔離器。CAN匯流排的主要缺點(diǎn)是這些額外元件會(huì)增加成本和電路板空間。圖二顯示了基於CAN的一種可行架構(gòu)。在這個(gè)示例中，所有模組都並聯(lián)連接。
| 圖二 : 獨(dú)立的CAN模組並聯(lián) |
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ADI創(chuàng)新的雙線式isoSPI介面是CAN匯流排介面的替代方法。[2]isoSPI介面整合在每個(gè)LTC6811中，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的變壓器和一根簡(jiǎn)單的雙絞線，而非CAN匯流排所需的四線。isoSPI介面提供了一個(gè)抗噪介面（用於高電平RF訊號(hào)），利用該介面可以將模組通過(guò)長(zhǎng)電纜以菊鍊形式連接，並以高達(dá)1 Mbps的資料速率運(yùn)行。圖三顯示了基於isoSPI並使用CAN模組作為閘道的架構(gòu)。
| 圖三 : 採(cǎi)用CAN閘道的模組串聯(lián)。 |
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圖二和圖三所示的兩種架構(gòu)各有利弊。CAN模組是標(biāo)準(zhǔn)化模組，可以與其他CAN子系統(tǒng)共用同一匯流排運(yùn)行；isoSPI介面是專(zhuān)有介面，只能與相同類(lèi)型的元件進(jìn)行通訊。另一方面，isoSPI模組不需要額外的收發(fā)器和MCU來(lái)處理軟體堆疊，從而使解決方案更精小、更易於使用。兩種架構(gòu)都需要有線連接，這在現(xiàn)代BMS中具有明顯的缺點(diǎn)，因?yàn)樵趤丫€中，導(dǎo)線佈線至不同的模組會(huì)成為一個(gè)棘手的問(wèn)題，同時(shí)又增加了重量和複雜性。導(dǎo)線也很容易吸收雜訊，從而需要進(jìn)行額外的濾波。
無(wú)線BMS
無(wú)線BMS是一種新穎的架構(gòu)，它消除了通訊佈線[3]。在無(wú)線BMS中，每個(gè)模組的互聯(lián)都透過(guò)無(wú)線連接方式實(shí)現(xiàn)。大型多顆電池的電池組無(wú)線連接的優(yōu)勢(shì)，主要在於：
1.連線複雜度更低
2.重量更輕
3.成本更低
4.安全性和可靠性更高
由於惡劣的EMI環(huán)境以及RF遮罩金屬構(gòu)成的訊號(hào)傳播障礙，無(wú)線通訊成為一個(gè)難題。
ADI的SmartMesh嵌入式無(wú)線網(wǎng)路在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中經(jīng)過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，可透過(guò)運(yùn)用路徑和頻率分集來(lái)實(shí)現(xiàn)冗餘，從而在工業(yè)、汽車(chē)和其他惡劣環(huán)境中提供可靠性超過(guò)99.999%的連接。
除了透過(guò)創(chuàng)建多個(gè)冗餘連接點(diǎn)來(lái)改善可靠性之外，無(wú)線Mesh網(wǎng)路還擴(kuò)展了BMS的功能。SmartMesh無(wú)線網(wǎng)路可實(shí)現(xiàn)電池模組的靈活配置，並改善了電池SOC和SOH的計(jì)算。這是因?yàn)榭梢詮陌惭b在以前不適合佈線之處的感測(cè)器收集更多的資料。SmartMesh還提供了來(lái)自每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間相關(guān)測(cè)量結(jié)果，從而可以實(shí)現(xiàn)更加精確的資料收集。圖四顯示了有線互聯(lián)和無(wú)線互聯(lián)電池模組的比較。
ADI的新款無(wú)線汽車(chē)BMS概念車(chē)，在BMW i3.2車(chē)型中整合了LTC6811電池組監(jiān)控器和ADI SmartMesh網(wǎng)路技術(shù)。這是一項(xiàng)重大突破，可望提高電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)大型多顆電池組的可靠性，並降低成本、重量和佈線複雜性。
大標(biāo):精確測(cè)量的重要性
精度是BMS的一個(gè)重要特性，對(duì)於LiFePO4電池至關(guān)重要。[3,4]為了瞭解該特性的重要性，我們考慮圖五中的示例。為了防止過(guò)度充電和放電，電池單元應(yīng)保持在滿容量的10%到90%之間。在85 kWh的電池中，可用於正常行駛的容量?jī)H為67.4 kWh。如果測(cè)量誤差為5%，為了繼續(xù)安全地進(jìn)行電池運(yùn)行，必須將電池容量保持在15%至85%之間?？偪捎萌萘恳褟?0%減少到了70%。如果將精度提高到1%（對(duì)於LiFePO4電池，1 mV的測(cè)量誤差相當(dāng)於1%的SOC誤差），那麼電池現(xiàn)在可以在滿容量的11%到89%之間運(yùn)行，增加了8%。使用相同的電池和精度更高的BMS，可以增加每次充電的汽車(chē)行駛里程。
電路設(shè)計(jì)人員根據(jù)產(chǎn)品資料手冊(cè)中的規(guī)格來(lái)估算電池測(cè)量電路的精度。其他現(xiàn)實(shí)世界的效應(yīng)通常會(huì)在測(cè)量誤差中占主導(dǎo)地位。影響測(cè)量精度的因素包括：
1.初始容差
2.溫度漂移
3.長(zhǎng)期漂移
4.濕度
5.PCB裝配應(yīng)力
6.雜訊抑制
| 圖四 : 電池監(jiān)控互聯(lián)方式比較。 |
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完善的技術(shù)必須考慮所有這些因素，才能提供非常出色的性能。IC的測(cè)量精度主要受基準(zhǔn)電壓的限制?；鶞?zhǔn)電壓對(duì)機(jī)械應(yīng)力很敏感。PCB焊接期間的熱迴圈會(huì)產(chǎn)生矽應(yīng)力。濕度是產(chǎn)生矽應(yīng)力的另一個(gè)原因，因?yàn)榉庋b會(huì)吸收水分。矽應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的推移而鬆弛，從而導(dǎo)致基準(zhǔn)電壓的長(zhǎng)期漂移。
電池測(cè)量IC使用頻隙基準(zhǔn)電壓或齊納基準(zhǔn)電壓。IC設(shè)計(jì)人員使用反向擊穿時(shí)的NPN發(fā)射極-基極結(jié)作為齊納二極體基準(zhǔn)電壓源。擊穿發(fā)生在晶片表面，因?yàn)槲廴疚锖脱趸瘜与姾稍诖颂幮?yīng)最為明顯。這些結(jié)雜訊高，存在不可預(yù)測(cè)的短期和長(zhǎng)期漂移。埋入式齊納二極體將結(jié)放置在矽表面下方，遠(yuǎn)離污染物和氧化層的影響。其結(jié)果是齊納二極體具有出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、低雜訊和相對(duì)精確的初始容差。因此，齊納二極體基準(zhǔn)電壓源在減輕隨時(shí)間變化的現(xiàn)實(shí)世界的效應(yīng)方面表現(xiàn)卓越。
LTC68xx系列使用了實(shí)驗(yàn)室級(jí)的齊納二極體基準(zhǔn)電壓源，這是ADI經(jīng)過(guò)30多年不斷完善的技術(shù)。圖六顯示了五個(gè)典型單元的電池測(cè)量IC誤差隨溫度的漂移。在整個(gè)汽車(chē)級(jí)溫度範(fàn)圍攝氏-40度至+125度之內(nèi)，漂移都小於1 mV。
| 圖六 : LTC6811測(cè)量誤差與溫度的關(guān)係 |
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圖七對(duì)比了頻隙基準(zhǔn)電壓源IC和埋入式齊納二極體基準(zhǔn)電壓源IC的長(zhǎng)期漂移。初始測(cè)量值的誤差校準(zhǔn)為0 mV。通過(guò)在30°C下3000小時(shí)之後的漂移來(lái)預(yù)測(cè)十年的測(cè)量漂移。該圖片清楚地顯示了隨著時(shí)間的推移，齊納二極體基準(zhǔn)電壓源具有更出色的穩(wěn)定性，至少比頻隙基準(zhǔn)電壓源提高5倍。類(lèi)似的濕度和PCB裝配應(yīng)力測(cè)試表明，埋入式齊納二極體的性能比頻隙基準(zhǔn)電壓源更勝一籌。
| 圖七 : 埋入式齊納二極體和頻隙基準(zhǔn)電壓源之間的長(zhǎng)期漂移比較 |
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| 圖八 : ADC濾波器的可編程範(fàn)圍和頻率響應(yīng) |
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精度的另一個(gè)限制因素是雜訊。由於電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)中的電機(jī)、功率逆變器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和其他大電流開(kāi)關(guān)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，因此汽車(chē)電池是面向電子元件非常惡劣的環(huán)境。BMS需要能夠提供高水準(zhǔn)的雜訊抑制，才能保持精度。濾波是用來(lái)減少無(wú)用雜訊的經(jīng)典方法，但它需要在降低雜訊與轉(zhuǎn)換速度之間進(jìn)行權(quán)衡。由於需要轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)碾姵仉妷汉芨?，因此轉(zhuǎn)換時(shí)間不能太長(zhǎng)。SAR轉(zhuǎn)換器或許是理想選擇，但在多工系統(tǒng)中，速度受到多工訊號(hào)的建立時(shí)間限制。此時(shí)，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器則成為有效的替代方案。
ADI的測(cè)量IC採(cǎi)用了Σ-Δ類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）。透過(guò)Σ-Δ ADC，可在轉(zhuǎn)換過(guò)程中輸入進(jìn)行多次採(cǎi)樣，然後取其平均值。結(jié)果是構(gòu)成內(nèi)建低通濾波，從而可消除作為測(cè)量誤差源的雜訊；截止頻率由採(cǎi)樣速率確定。LTC6811採(cǎi)用了一個(gè)三階Σ-ΔADC，具有可編程採(cǎi)樣速率和八個(gè)可選截止頻率。圖八顯示了八個(gè)可編程截止頻率的濾波器回應(yīng)。透過(guò)對(duì)所有12顆電池在290 μs的時(shí)間內(nèi)快速完成測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)出色的降低雜訊效果。大電流注入測(cè)試將100 mA的RF雜訊耦合到連接電池與IC的導(dǎo)線中，該測(cè)試顯示測(cè)量誤差小於3 mV。
電池平衡以優(yōu)化電池容量
即使能精準(zhǔn)地製造和選擇電池，它們之間也會(huì)顯示出細(xì)微的差異。電池之間任何的容量不匹配，都會(huì)導(dǎo)致電池組整體容量的減少。
為了更清楚地理解這一點(diǎn)，我們來(lái)考慮一個(gè)示例，其中各顆電池保持在滿容量的10%到90%之間。深度放電或過(guò)度充電會(huì)大大縮短電池的有效使用壽命。因此，BMS提供欠壓保護(hù)（UVP）和過(guò)壓保護(hù)（OVP）電路，以?明防止出現(xiàn)這些情況。當(dāng)容量最低的電池達(dá)到OVP閾值時(shí)，將停止充電過(guò)程。在這種情況下，其他電池尚未充滿電，並且電池儲(chǔ)能沒(méi)有達(dá)到最大允許的容量。同樣的，當(dāng)最低充電量的電池達(dá)到UVP限值時(shí)，系統(tǒng)將停止工作。另外，電池組中仍然有能量可為系統(tǒng)供電，但是出於安全考量，便不能繼續(xù)使用電池組。
很顯然的，電池組中最弱的電池支配著整個(gè)電池組的性能。電池平衡是一種透過(guò)在電池充滿電時(shí)均衡電池之間的電壓和SOC來(lái)?明克服此問(wèn)題的技術(shù)。[5]電池平衡技術(shù)有兩種：被動(dòng)和主動(dòng)。
使用被動(dòng)平衡時(shí)，如果一顆電池過(guò)度充電，就會(huì)將多餘的電荷耗散到電阻中。通常，採(cǎi)用一個(gè)分流電路，該電路由電阻和用作開(kāi)關(guān)的功率MOSFET組成。當(dāng)電池過(guò)度充電時(shí)，MOSFET關(guān)斷，將多餘的能量耗散到電阻中。LTC6811使用一個(gè)內(nèi)建MOSFET來(lái)控制各顆電池的充電電流，從而平衡被監(jiān)視的每顆電池。內(nèi)建MOSFET可使設(shè)計(jì)更精小，並能夠滿足60 mA的電流要求。對(duì)於更高的充電電流，可以使用外部MOSFET。該元件還提供了計(jì)時(shí)器來(lái)調(diào)整平衡時(shí)間。
耗散技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是低成本和低複雜度。缺點(diǎn)是能量損耗大並且熱設(shè)計(jì)更複雜。而另一方面，主動(dòng)平衡會(huì)在模組的其他電池之間重新分配多餘的能量。這樣，可以回收能量並且產(chǎn)生的熱量更低。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是硬體設(shè)計(jì)更複雜。
圖九顯示了採(cǎi)用LT8584實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)平衡。該架構(gòu)透過(guò)主動(dòng)分流充電電流，並將能量返回電池組來(lái)解決被動(dòng)分流平衡器存在的問(wèn)題。能量並沒(méi)有以熱量的形式發(fā)生損耗，而是被重新利用，為電池組中的其餘電池充電。該元件的架構(gòu)還解決了一個(gè)問(wèn)題，即當(dāng)電池組中的一顆或多顆電池在整個(gè)電池組容量用盡之前就達(dá)到較低安全電壓閾值時(shí)，會(huì)造成執(zhí)行時(shí)間減少。只有主動(dòng)平衡才能將電荷從強(qiáng)電池重新分配到弱電池。如此才可以使弱電池繼續(xù)為負(fù)載供電，從而可從電池組中提取更高百分比的能量。
| 圖九 : 採(cǎi)用主動(dòng)平衡的12顆電池的電池組模組 |
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反馳式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許電荷在電池組內(nèi)任意兩點(diǎn)之間往返。大多數(shù)應(yīng)用將電荷返回到電池模組（12顆或更多），其他一些應(yīng)用則將電荷返回到整個(gè)電池組，還有些應(yīng)用將電荷返回到輔助電源軌。
結(jié)論
低排放車(chē)輛的關(guān)鍵是電氣化，但還需要對(duì)能源（鋰離子電池）進(jìn)行智慧管理。如果管理不當(dāng)，電池組可能會(huì)變得不可靠，使得汽車(chē)安全性大幅降低。高精度有助於提高電池的性能和使用壽命。主動(dòng)和被動(dòng)電池平衡可實(shí)現(xiàn)安全高效的電池管理。分散式電池模組易於支援，並且將資料穩(wěn)定地傳遞到BMS控制器（無(wú)論是有線方式還是無(wú)線方式）能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的SOC和SOH計(jì)算。
（本文作者Cosimo Carriero為ADI公司現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師）
參考文獻(xiàn)
[1] Greg Zimmer，“無(wú)線電池管理系統(tǒng)突顯行業(yè)提高可靠性的驅(qū)動(dòng)力”，凌力爾特，2017年2月。
[2] “無(wú)線BMS概念車(chē)”，Lion Smart，2017年6月。
[3] Michael Kultgen和Jon Munson，“電池堆疊監(jiān)控器延長(zhǎng)混合動(dòng)力汽車(chē)中鋰離子電池的使用壽命”，LT雜誌，第19卷第1期，2009年3月。
[4] Mike Kultgen和Greg Zimmer，“在儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)中最大限度地提高電池監(jiān)控精度和資料完整性”，ADI公司，2019年。
[5] Stephen W. Moore和Peter J. Schneider，“鋰離子和鋰聚合物電池系統(tǒng)的電池均衡方法綜述”，SAE 2001年世界大會(huì)，2001年3月。
