詳解電池組監(jiān)控IC資料下載

??電池芯、超級電容和燃料電池芯都需要小心監(jiān)護，以擴展諸如電動汽車和混合型汽車中的能源存儲系統(tǒng)的使用范圍，延長其壽命，并確保其安全性（圖1）。電池正在一系列汽車應用中得到發(fā)展。微型混合型汽車采用傳統(tǒng)的12V鉛酸電池，并有交流發(fā)電機-電機單元，汽車停車時可以讓引擎停機。當踩下油門時，引擎會順滑地起動，然后正常運行。而混合型汽車有更大的電池，如豐田公司的Prius、本田公司的Insight和雪佛蘭的Volt。這些電池產(chǎn)生的電壓超過200V。傳統(tǒng)電池芯的化學類型是NiMH（鎳金屬-氫化物），但很多鋰化學技術(shù)能在某種重量下提供更高的能量（圖2）。全電動汽車（如Tesla的Roadster和尼桑的Leaf）都有最大的電池，它們電池組的電壓范圍從300V 400V。 ? ?? ? ??電池電壓越高，在給定功率下的電流就會越低，從而減小了昂貴銅線電纜的直徑。更重要的是，較高的電壓可以采用較大輸出的電機繞組。2004年，豐田為Prius增加了一個升壓轉(zhuǎn)換器，將電池組電壓從200V升高至500V。這一步驟使豐田重新設計了推進電機，將扭矩從350 Nm提高到400 Nm，而功率從33 kW提高到50 kW（參考文獻1）。 ??數(shù)據(jù)中心亦將300V電池串用于UPS（不間斷電源）備份電源。在這種應用中，鋰離子電池正在替代鉛酸電池。汽車利用了鋰離子更好的重量能量密度，即每磅或每千克的能量。UPS應用則利用了鋰離子電池的體積能量密度。數(shù)據(jù)中心的空間都很昂貴，盡管鋰離子電池系統(tǒng)價格可能較高，但它占據(jù)的空間只有鉛酸電池系統(tǒng)的四分之一。這一事實通常能讓數(shù)據(jù)中心將電池和轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)放在一間屋子里。有些數(shù)據(jù)中心正在考慮去掉轉(zhuǎn)換器，而將直流電源輸送給可以接受直流輸入的數(shù)據(jù)中心服務器。 ??由于鋰離子電池的尺寸小，它們在電網(wǎng)級應用中可獲得與數(shù)據(jù)中心相同的效益。有些電網(wǎng)級方案傾向采用燃料電池，而高壓燃料電池組要求與電化學電池相同的精心監(jiān)護。燃料電池芯還有特殊要求，在使用期間燃料電池芯有兩種極性，會表現(xiàn)出多種故障模式。IC制造商正在使自己的電池組監(jiān)護芯片適應于承受這些電池芯的負電壓。 ? ?? ??圖2，電動汽車與UPS應用都可能使用多種電池類型，它們都需要用電池組測量IC作監(jiān)控（Linear Technology公司提供）。 ? ??當監(jiān)護超級電容組時，也會出現(xiàn)類似的問題。用戶希望獲得電容的全部能量，而這樣就意味著要將其放電至0V。如果出現(xiàn)這種情況，則介電效應將使電容出現(xiàn)一個負電壓，一般可達-0.5V。有些IC制造商正在改進自己的電池組芯片，使之能承受負電勢。超級電容存儲的能量少于電池或燃料電池，因此較少用于高能應用（見附文1“電池的化學特性”）。 ? ??電池芯監(jiān)控 ? ??汽車與UPS制造商都希望精確地監(jiān)控一個電池組中的每只電池芯。Analog Devices公司混合與電動汽車行業(yè)營銷經(jīng)理Paul Maher說：“你肯定不愿因為一只壞電池芯而讓汽車停下來，但過熱情況下就得停車了?！睂ζ囯姵氐谋O(jiān)控非常關(guān)鍵。他補充說：“一臺筆記本電腦的電池預計可使用兩年，但一個汽車電池組應可持續(xù)10年?！? ??測量必須很精確，因為數(shù)毫伏電壓可能代表著大量的電荷。測量有一種共模問題，它要在有數(shù)百伏共模電勢情況下，嘗試對電池芯的精確測量。這種測量不是可以使用集成ADC的直流測量。電池電壓可能以千赫的速率做改變，原因是電機變頻器電路的斬波動作。此外，測量系統(tǒng)還需要有隔直措施，因為電池電壓很危險。芯片必須耗電很低，這樣才不會消耗掉電池能量。除了測量本身的困難以外，還必須將測量結(jié)果送至汽車或數(shù)據(jù)中心的多個目標點。 ? ?? ??圖3，本電路解決了共模電壓的測量問題，方法是通過一個小型隔離變壓器，傳送電池芯電壓與二極管壓降。 ? ??電池組監(jiān)控電路的第一個挑戰(zhàn)就是精度?，F(xiàn)代鋰離子電池芯有一個平坦的放電曲線。德州儀器公司功率營銷經(jīng)理Matthew Borne稱：“在對電池芯的充電狀態(tài)估測時，5 mV的測量誤差代表10%的錯誤?！北仨毻Ｖ闺姵氐姆烹姡駝t會損壞電池，因此較高的精度直接對應著更大的范圍；一個4V電池芯上的8 mV準確度對應0.2%的精度。要提供0.2%的系統(tǒng)精度，電壓基準在時間和溫度上的精度都必須為約0.1%（參考文獻2）。 ??一旦獲得了足夠的精度，就面臨著另一個問題：測量一只可能與十幾只其它電池芯串聯(lián)的4V電池芯。如果打算用衰減器來測量電池芯電壓，就可能需要精密電阻分壓器（見附文2“共模問題”）。薄膜電阻并不夠精確，不能隨溫度而保持足夠緊密的跟蹤性。 ??電容可以充到電池芯電壓，然后將它們切換到一個以機架為基準的電勢。這種所謂的飛電容（flying-capacitor）方法可以工作，但有缺點。例如，Maxim Integrated Products公司的汽車與工業(yè)電池產(chǎn)品業(yè)務經(jīng)理Stephen G LaJeunesse認為，電容會開始在不同電勢的電池芯之間傳送失配的電荷。他說：“它們還需要大電壓開關(guān)，而這些開關(guān)有自身的損耗，”從而降低了電路的效率。 ??Linear Technology公司資深科學家Jim Williams開發(fā)了一種新穎電路，采用小型廉價變壓器查詢每只電池芯的電壓（圖3與參考文獻3）。電路工作情況良好，但變壓器增加了成本，也會由于震動而出現(xiàn)故障。 ??電池組監(jiān)控IC的制造商避免共模問題的方法是將芯片浮接在電池組的電壓上。它們將模擬測量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，然后將這些數(shù)字位下送給其它芯片的daisy鏈。這個步驟可去掉系統(tǒng)中的電阻衰減器，并且測量中不會有任何的共模衰減誤差（圖4）。 ? ?? ? ??將測量芯片置于daisy鏈中，還有其它重要的要求。它需要一個隔離絕緣器，而不是多個。幾十年前，工程師們要通過絕緣屏障來傳送模擬電壓。電池組監(jiān)控芯片結(jié)構(gòu)是當前的趨勢。測量模擬電壓，然后將該電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字位。將數(shù)字化數(shù)據(jù)傳送過一個隔直屏障有很多種方法（參考文獻4）。可以采用光耦、隔直電容、變壓器隔離器、RF隔離器，甚至是磁致伸縮隔離器。如果是通過隔離屏障發(fā)送模擬電平，則可以采用delta-sigma調(diào)制器，如Avago的產(chǎn)品。 ??一旦確保了精確測量，并解決了共模問題，還必須確認滿足了設計的功率要求。電池組本身能為大多數(shù)電池監(jiān)控IC提供電源，而這意味著會耗盡未充電電池的電能。另外同樣重要的是，每個芯片都必須有相同的功耗，這樣某只芯片的功耗就不會超過周邊芯片，從而造成一組電池芯的不平衡。另外，也可以用汽車電池或外接電源提供隔離電源，如Analog Devices公司為其監(jiān)控芯片所做的那樣（圖5）。這樣，監(jiān)控電路就不會消耗動力電池的能量。 ? ?? ? ??當設計測量系統(tǒng)時，必須要在某個通信鏈路上發(fā)送數(shù)據(jù)。有些制造商會將一種簡單的局域串行協(xié)議（如串行外設接口SPI）轉(zhuǎn)換為一種高級協(xié)議，如CAN（控制器局域網(wǎng)）總線。CAN通信在汽車中的應用已有幾十年時間，證明了其可靠性。 ??這些對測量系統(tǒng)的考慮還只是基本需求。為了滿足汽車制造商對可靠性和責任的關(guān)切，我們必須測量電池組中的每個芯。為了盡量減少所需要的測量轉(zhuǎn)換器數(shù)量，大多數(shù)IC制造商都在自己的電池組監(jiān)控芯片中采用了高壓、有故障保護的多工器，使芯片能夠精確地測量4只 12只電池芯，然后將測量結(jié)果通過一個串行總線，傳送給daisy鏈上的下一只芯片。 ??當裝配工人或機器采用熱插拔更換方法，將測量電路連接到電池上時，就產(chǎn)生了另一個重要的可靠性問題。這種方法并不能保證工人先連接上哪只電池芯。對任意電池芯檢測線的隨意連接會向硅核心中注入大量電流。Maxim公司的JaJeunesse認為芯片必須有加固的節(jié)點，他指出芯片并不需要介電絕緣工藝。他說：“DMOS和CMOS已經(jīng)做了這個工作，但你必須知道電路元件的偏置方法，以及內(nèi)部如何短接晶體管阱和柵。”他告誡者，要用導環(huán)來解決熱載流子的注入問題。 ??大多數(shù)制造商都同時提供外部和片上的溫度檢測，因而系統(tǒng)設計者能夠測量出環(huán)境溫度和電池芯溫度。然后，設計者可以在充電與安全算法中增加這些溫度因數(shù)?？煽啃詥栴}也使得汽車制造商提出了對全冗余測量系統(tǒng)的要求（圖6與參考文獻5）。在這些結(jié)構(gòu)中，一組daisy鏈接的芯片做測量，另一組芯片則用設定了最大最小極限值的比較器，監(jiān)控測量情況。Intersil等制造商都努力保證芯片之間的串行通信是無源的，原因是：如果一只芯片出現(xiàn)電氣失效情況，它仍然能讓daisy鏈上的所有其它芯片的通信通過。大多數(shù)的電池組測量芯片還有雙向串行通信，可以用自己系統(tǒng)的BMU（電池管理單元）查詢芯片，以確保芯片的上電和工作。 ? ?? ? ??除了這種系統(tǒng)級冗余以外，很多制造商還在自己的芯片中建立了冗余和自檢功能（參考文獻6）。 ??Intersil公司汽車產(chǎn)品營銷經(jīng)理Kenneth Lenk表示這類芯片包含了多種電壓基準。他補充說，該公司亦在自己的芯片中加入了隱藏的DAC，用于校正和自檢。 ??很多制造商都強調(diào)說，他們的器件擁有無源的通信鏈接。這些鏈接即使在芯片失效時也能繼續(xù)工作。Analog Devices公司精確放大器系列產(chǎn)品經(jīng)理Sam Weinstein稱，制造商不僅要建立內(nèi)部的冗余，還要確保冗余的運行。他指出，BIST（內(nèi)置自檢）很昂貴，但這是滿足汽車業(yè)要求的基礎。 ??一個工程化委員會正在將汽車電池組系統(tǒng)的失效保護以及冗余功能做到ISO（國際標準化組織）26262標準中，ISO組織預計將在今年發(fā)布該標準。開發(fā)人員采用了這個標準后，就能為他們提供電動汽車中模擬、數(shù)字和軟件部件的完整指南。德州儀器、Analog Devices、意法半導體和恩智浦等公司都在提供用于這些任務關(guān)鍵的先進傳動模塊的模擬與數(shù)字硬件。