大幅提高電動汽車電池性能的電池監控器

大幅提高電動汽車電池性能的電池監控器

鋰離子（Li-Ion）電池是電動汽車常用的儲能方法，這些電池可提供的能量密度在所有現有電池技術中是非常高的，但是如果要最大限度地提升性能，必須使用電池監控系統（BMS），以更安全的方式管理充電和放電循環，從而延長使用壽命。本文將為您介紹BMS的架構與運作模式，以及由ADI公司所推出的BMS器件的產品特性與優勢。

BMS可提升電動汽車電池的運作效率

先進的BMS可協助電動汽車在運作時能夠從電池組中提取大量的電荷，并能精確測量電池的充電狀態（SOC），以延長電池運行時間或減輕重量，并提升電池的安全性，避免出現深度放電、過度充電、過電流和熱過應力等形式的電氣過載。

BMS的主要功能是通過監控電池運作時的物理量，使電池組中所有單節電池保持在其安全工作區域（SOA）中，監測電池組充電和放電電流、單節電池電壓以及電池組溫度?；谶@些數值，不僅可以使電池安全運行，而且可以進行SOC和健康狀態（SOH）計算。

BMS提供的另一個重要功能是電池平衡。在電池組中，可以將單節電池并聯或串聯放置，以達到所需的容量和工作電壓（高達1 kV或更高）。電池制造商試圖為電池組提供相同的電池，但這在物理上并不現實。即使很小的差異也會導致不同的充電或放電電平，而電池組中最弱的電池會嚴重影響到電池組的總體性能。精確的電池平衡是BMS的一項重要功能，它可確保電池系統以其最大容量安全運行。

無線BMS消除通信布線降低復雜度

電動汽車電池由幾節電池串聯組成，一個典型的電池組（具有96節串聯電池）以4.2 V充電時會產生超過400 V的總電壓。電池組中的電池節數越多，所達到的電壓就越高。所有電池的充電和放電電流都相同，但是必須對每節電池上的電壓進行監控。

為了容納高功率汽車系統所需的大量電池，通常將多節電池分成幾個模塊，并分置于車輛的整個可用空間內。典型模塊擁有10到24節電池，可以采用不同配置進行裝配以適合多個車輛平臺。模塊化設計可作為大型電池組的基礎，它允許將電池組分置于更大的區域，從而更有效地利用空間。

為了在電動汽車／混合動力汽車的高EMI環境中支持分布式模塊化拓撲，穩健的通信系統必不可少。隔離CAN總線適合在這種環境中進行模塊互聯，盡管CAN總線為在汽車應用中互聯電池模塊提供了完善的網絡，但它需要許多附加組件，這些額外組件會增加成本和電路板空間。此外，現代BMS若采用有線連接，將會具有明顯的缺點，因為在布線中，導線走線至不同的模塊會成為一個棘手的問題，同時又增加了重量和復雜性。導線也很容易生成噪聲，從而需要進行額外的濾波。

無線BMS是一種新穎的架構，它消除了通信布線。在無線BMS中，每個模塊的互聯都通過無線連接方式實現。大型多節電池的電池組采用無線連接，其連線復雜度更低、重量更輕、成本更低，且安全性和可靠性更高，但由于惡劣的EMI環境，以及RF屏蔽金屬構成的信號傳播障礙，成為無線通信的一個難題。

嵌入式無線網絡可改善可靠性與精確度

ADI推出的SmartMesh嵌入式無線網絡，已經在工業物聯網（IoT）應用中經過了現場驗證，可通過運用路徑和頻率分散來實現冗余，從而在工業、汽車和其他惡劣環境中提供可靠性超過99.999%的連接。

除了通過創建多個冗余連接點來改善可靠性之外，無線Mesh網絡還擴展了BMS的功能。SmartMesh無線網絡可實現電池模塊的靈活放置，并改善了電池SOC和SOH的計算。這是因為可以從安裝在以前不適合布線之處的傳感器收集更多的數據。SmartMesh還提供了來自每個節點的時間相關測量結果，從而可以實現更加精確的數據收集。

ADI并將LTC6811電池組監控器和ADI SmartMesh網絡技術加以集成，這是一項重大突破，有望提高電動汽車／混合動力汽車大型多節電池組的可靠性，并降低成本、重量和布線復雜性。

LTC6811是一款多節電池的電池組監視器，可測量多達12個串接電池的電壓，并具有小于1.2mV的總測量誤差，所有12節電池可在290μs內完成測量，并可選擇較低的數據采集速率以實現高的噪聲抑制。LTC6811具有0 V至5 V的電池測量范圍，適合大多數電池化學應用，并可將多個器件串聯，以便同時監測很長的高壓電池組。該器件包括每節電池的被動平衡，數據在隔離柵兩邊進行交換并由系統控制器編譯，該控制器負責計算SOC、控制電池平衡、檢查SOH，并使整個系統保持在安全限制內。

此外，還可以把多個LTC6811器件串接起來，因而能在長的高電壓電池串中實現電池的同時監視。每個LTC6811具有一個isoSPI接口，用于實現高速、抗RF干擾的遠程通信。使用LTC6811-1時，多個器件采用菊鏈式連接，且所有器件采用一根主處理器接線。在使用LTC6811-2時，則多個器件并聯連接至主處理器，對每個器件進行個別尋址。

LTC6811可直接采用電池組或一個隔離式電源供電，并擁有針對每節電池的電荷被動平衡，以及用于每節電池的個別PWM占空比控制功能。其他特點包括一個內置的5V穩壓器、5根通用型I/O線和一種睡眠模式（在該模式中電流消耗減小至4μA）。

電池平衡以優化電池容量與性能

電池平衡對于電池的性能有重大的影響，因為即使能精確地制造和選擇電池，它們之間也會顯示出細微的差異。電池之間任何的容量不匹配都會導致電池組整體容量的減少。顯然地，電池組中最弱的電池將支配著整個電池組的性能。電池平衡是一種通過在電池充滿電時均衡電池之間的電壓和SOC，來幫助克服此問題的技術。

電池平衡技術可分成被動和主動兩種，使用被動平衡時，如果一節電池過度充電，就會將多余的電荷耗散到電阻中。通常，采用一個分流電路，該電路由電阻和用作開關的功率MOSFET組成。當電池過度充電時，MOSFET關斷，將多余的能量耗散到電阻中。LTC6811使用一個內置MOSFET來控制各節電池的充電電流，從而平衡被監視的每節電池。內置MOSFET可使設計緊湊，并能夠滿足60 mA的電流要求。對于更高的充電電流，可以使用外部MOSFET。該器件還提供了定時器來調整平衡時間。

另一方面，采用主動平衡則會在模塊的其他電池之間重新分配多余的能量。這樣，可以回收能量并且產生的熱量更低，但這種技術的缺點是硬件設計更復雜。

ADI推出采用LT8584的架構來實現電池的主動平衡，該架構通過主動分流充電電流，并將能量返回電池組來解決被動分流平衡器存在的問題。能量并沒有以熱量的形式發生損耗，而是被重新利用，為電池組中的其余電池充電。該器件的架構還解決了一個問題，即當電池組中的一節或多節電池在整個電池組容量用盡之前就達到較低安全電壓閾值時，會造成運行時間減少。只有主動平衡才能將電荷從強電池重新分配到弱電池。這樣可以使弱電池繼續為負載供電，從而可從電池組中提取更高百分比的能量。反激式拓撲結構允許電荷在電池組內任意兩點之間往返。大多數應用將電荷返回到電池模塊（12節或更多），其他一些應用則將電荷返回到整個電池組，還有些應用將電荷返回到輔助電源軌。

LT8584是一款單片式反激DC/DC轉換器，專為高電壓電池組的主動平衡而設計。開關穩壓器的高效率顯著地增加了可實現的平衡電流，同時減少了發熱量。另外，主動平衡還可實現不平衡電池組中的容量恢復，這是采用被動平衡系統無法獲得的特性。在典型系統中，可獲得超過99%的總電池容量。

LT8584包括一個集成型6A、50V電源開關，因而降低了應用電路的設計復雜性。該器件完全依靠其所放電的電池來運行，從而不必增設采用外部電源供電時通常所需的復雜偏置電路。該器件的使能引腳（DIN）設計用于和LTC680x系列電池組電壓監視IC無縫地協調運作。此外，當與LTC680x系列器件配合使用時，LT8584還可提供包括電流和溫度監視的系統遙測功能。當LT8584停用時，其通常從電池消耗小于20nA的總靜態電流。

結語

低排放車輛的關鍵是電氣化，但還需要對能源（鋰離子電池）進行智能管理，如果管理不當，電池組可能會變得不可靠，從而大大降低汽車的安全性。主動和被動電池平衡可實現安全高效的電池管理，分布式電池模塊易于支持，并且可將數據穩定地傳遞到BMS控制器（無論是采用有線方式還是無線方式），能夠實現可靠的SOC和SOH計算。ADI提供種類齊全的BMS器件組合，將可協助客戶加速開發BMS，更有效率地管理電動汽車電池的運作效率與安全性。

審核編輯：劉清