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建立高效電池管理系統(tǒng)的理論概述

對于接受到新的基于電池的電源系統(tǒng)設(shè)計監(jiān)視器電路,要采取什么策略來優(yōu)化該設(shè)計才能在控制成本的情況下實現(xiàn)建立一個高效電池管理系統(tǒng)呢?最初考慮的問題將是確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及電池和有關(guān)電子組件的位置?;窘Y(jié)構(gòu)清楚以后,接下來必須考慮的一個問題是,電路拓?fù)涞臋?quán)衡協(xié)調(diào)問題,例如,怎樣優(yōu)化最終產(chǎn)品的通信和互連。

電池管理系統(tǒng)

電池的外形尺寸將對電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有重大影響。要使用大量單體電池組成電池模塊 (或電池組) ,或者要使用外形尺寸很大的電池,因而由于重量問題而導(dǎo)致對電池數(shù)量的限制或引起其他的尺寸限制?這也許是設(shè)計變數(shù)最大的部分,因為外形新穎的電池不斷上市,而且人們也在不斷努力,務(wù)求電池模塊或電池組集成到產(chǎn)品中后,會與整個產(chǎn)品概念更加一致。

另一個考慮因素是,電池 (或模塊化電池組)、電池管理系統(tǒng) (或其子系統(tǒng)) 以及最終應(yīng)用接口之間的測試信號和/或遙測信號的互連。在大多數(shù)情況下,可以做一個外殼,用來集成電池模塊或電池組中的某些數(shù)據(jù)采集電路,以便如果需要調(diào)換,那么生產(chǎn) ID、校準(zhǔn)、使用規(guī)格等重要信息能隨著可替換組件帶走。這類信息對電池管理系統(tǒng) (BMS)或維修設(shè)備可能有用,而且最大限度地減少了線束中所需的高壓額定值導(dǎo)線的數(shù)量。

接下來,就給定的機(jī)械概念設(shè)計而言,監(jiān)視硬件拓?fù)溆删_定義的、所需支持的電池數(shù)量決定。在汽車應(yīng)用中,一般情況下總共會有 100 個以上的電池測量點,而且系統(tǒng)的模塊化將決定一個給定的電路系統(tǒng)測量多少個電池。最常見的情況是,以安全斷接“維修插頭”方式,將所有電池分成至少兩個子組。通過在故障情況下保持電壓低于 200V,這種方法最大限度地降低了維修人員可能遇到的觸電危險。外形尺寸較大的電池組意味著,要采用兩套隔離的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),每套也許支持 50 個電池分接頭。在有些情況下,所有電子組件都在一個經(jīng)濟(jì)實惠的印刷電路板上,但是這需要大量互連,如圖 1 (a)所示?;蛘撸娮咏M件也可以分散放置,更加緊密地集成在電池模塊中,但是這需要采用遙測鏈接方法。為了實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)完整性,內(nèi)置于汽車線束中的遠(yuǎn)端測量功能電路必須采用一種堅固型協(xié)議,例如廣泛使用的 CAN 總線。盡管真正的 CAN 總線接口涉及幾個網(wǎng)絡(luò)層,但是可以很方便地采用 PHY 層構(gòu)成 BMS LAN 結(jié)構(gòu),以高效率地進(jìn)行模塊內(nèi)的通信。該拓?fù)湓试S在幾個小型處理器之間分配計算工作量,從而降低所需的數(shù)據(jù)傳輸速率,并減輕 LAN 方法可能引起的 EMI 問題。最終的 BMS 應(yīng)用接口很可能是至一個主系統(tǒng)管理處理器的 CAN 總線接線,而且將需要定義 (或在一開始規(guī)定) 特定的信息事務(wù)處理。

其他因素也可能對物理結(jié)構(gòu)和監(jiān)視電路造成影響。就鋰離子電池而言,需要電池容量平衡,從而導(dǎo)致了額外的熱量管理問題(去除熱量),而且如果需要有源平衡,還需要電源轉(zhuǎn)換電路。溫度探頭常常分布在整個模塊之上,以提供一種將電壓讀數(shù)與充電狀態(tài)關(guān)聯(lián)起來的方法,因而需要一些支持電路和連接方案。設(shè)計時一個常常忽視的考慮因素是,當(dāng)產(chǎn)品安裝之前閑置或儲存在貨架上時,電池的電量泄漏應(yīng)該是最低的。在有些情況下,額外的控制配線是必要的。

在上面實現(xiàn)的這些結(jié)構(gòu)中,都有一個常見的測量功能構(gòu)件,該構(gòu)件包括一個多通道 ADC、安全隔離勢壘和某種程度的本地處理能力。實現(xiàn)功能的核心組件是凌力爾特的 LTC6803 電池組監(jiān)視器 IC,同時顯示的還有一個SPI 數(shù)據(jù)隔離器和一些可選的特殊用途電路。該電路包括輸入濾波器和無源平衡功能,構(gòu)成了一個完整的12 節(jié)電池數(shù)據(jù)采集解決方案。如果需要,這類電路可以簡單地復(fù)制,以支持更多電池測量方案,同時共享主微控制器的本地 SPI 端口,該主微控制器反過來再提供外部CAN總線或其他LAN型數(shù)據(jù)鏈路所需。

與前一代監(jiān)視器件相比,LTC6803的主要改進(jìn)是,支持電源停機(jī)和/或單獨由電池組供電。當(dāng)電源從V+引腳去掉時,電池加載將降至零(僅有nA級半導(dǎo)體泄漏)。工作電源可以由接通的電池組電壓提供,或從一個單獨的電源提供給V+,只要電壓始終至少與電池組一樣高就行。為了實現(xiàn)簡單性,LTC6803 還可以直接從電池組獲取功率,在這種情況下,最低功率狀態(tài)(即備用) 將僅消耗 12uA 電流。LTM2883 數(shù)據(jù)隔離器通過一個內(nèi)部隔離的 DC-DC轉(zhuǎn)換器,從主處理器供電,因此該器件將自動與主處理器一起斷電。LTM2883的一個非常有用的功能是,它還能向隔離的電子組件(即電池端) 提供很大和得自主機(jī)的功率。一個小型升壓電源功能組件就是這樣驅(qū)動的,以獨立地給 LTC6803 供電,以便電池僅提供 ADC 測量輸入電流 (即在有效轉(zhuǎn)換時平均值< 200nA)。該電路具有絕對最低的寄生電池泄漏,同時消除了任何電池的工作電流失配,否則這種失配可能逐步導(dǎo)致電池容量失衡。

LTC6803 的一個方便的功能是,有兩個自由的、準(zhǔn)確度與電池輸入類似的 ADC 輸入。這種方便的功能允許用很少的額外電路進(jìn)行輔助測量,包括溫度、校準(zhǔn)信號或負(fù)載電流測量。一種尤其有用的測量是,用一個門控電阻分壓器測量整個電池組的電壓,實現(xiàn)方法如圖 2 所示 (采用 12:1 的比例,連接到VTEMP1 輸入)。當(dāng)電路斷電時,相關(guān)的 FET 斷開,這樣對電流的測量就不會不必要地加重電池的負(fù)擔(dān)。既然該端口的濾波可以獨立于電池輸入來定制,那么為了實現(xiàn)精確的充電電流計算所需的、真正高達(dá) 200sps 的奈奎斯特 (Nyquist)采樣率是可能的??梢岳脤蝹€電池測量來周期性地對整個電池組的分壓器提供軟件校準(zhǔn),這樣就不需要價格昂貴的電阻器了。輔助輸入的另一個非常有用的用法是,測量準(zhǔn)確度很高的校準(zhǔn)電源(諸如凌力爾特的 LT6655-3.3,一個準(zhǔn)確度為 0.025% 的基準(zhǔn)),在這種用法中,允許軟件憑借通道至通道的固有匹配,校正其他所有通道。請注意,熱敏電阻器的溫度探頭不必以電池的電位為基準(zhǔn),這些探頭一般也不需要 12 位的分辨率。這類探頭通常適用于直接與微控制器連接,從而留出高性能 LTC6803 的輔助輸入,以實現(xiàn)要求更加苛刻的功能。

總之,在電池管理系統(tǒng)電路中需要考慮的因素有很多,特別是那些決定封裝限制的因素。當(dāng)封裝設(shè)計思想?yún)R聚在一起時,考慮一下也有可能產(chǎn)生機(jī)械影響的電子線路與信息流的結(jié)構(gòu)(例如:連接器化和導(dǎo)線數(shù)目) 同樣也是很重要。一旦權(quán)衡過這些因素而且封裝設(shè)計思想成熟之后,只需直接插入一款采用 LTC6803 平臺,一個聲名卓著、可擴(kuò)展和具成本效益的數(shù)據(jù)采集解決方案便大功告成了。

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