【導(dǎo)讀】如果您還沒(méi)有駕駛電動(dòng)汽車(chē) (EV)——混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (HEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV) 或全電動(dòng)汽車(chē)——那么很有可能,您可能很快就會(huì)駕駛。里程焦慮已成為過(guò)去。您現(xiàn)在可以幫助保護(hù)環(huán)境,而不必?fù)?dān)心被困在其中。世界各國(guó)政府提供慷慨的財(cái)政激勵(lì)措施來(lái)抵消電動(dòng)汽車(chē)的溢價(jià),希望引導(dǎo)您遠(yuǎn)離購(gòu)買(mǎi)內(nèi)燃機(jī)(ICE)汽車(chē)。一些政府已經(jīng)采取措施,要求汽車(chē)制造商制造和銷(xiāo)售電動(dòng)汽車(chē),希望市場(chǎng)最終將由它們主導(dǎo),而另一些政府則在沙子上劃了一條更明確的界限;例如,德國(guó)已經(jīng)在推動(dòng)到2030年禁止內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。
電動(dòng)汽車(chē)搬運(yùn)工
如果您還沒(méi)有駕駛電動(dòng)汽車(chē) (EV)——混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) (HEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV) 或全電動(dòng)汽車(chē)——那么很有可能,您可能很快就會(huì)駕駛。里程焦慮已成為過(guò)去。您現(xiàn)在可以幫助保護(hù)環(huán)境,而不必?fù)?dān)心被困在其中。世界各國(guó)政府提供慷慨的財(cái)政激勵(lì)措施來(lái)抵消電動(dòng)汽車(chē)的溢價(jià),希望引導(dǎo)您遠(yuǎn)離購(gòu)買(mǎi)內(nèi)燃機(jī)(ICE)汽車(chē)。一些政府已經(jīng)采取措施,要求汽車(chē)制造商制造和銷(xiāo)售電動(dòng)汽車(chē),希望市場(chǎng)最終將由它們主導(dǎo),而另一些政府則在沙子上劃了一條更明確的界限;例如,德國(guó)已經(jīng)在推動(dòng)到2030年禁止內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)。
在汽車(chē)歷史的大部分時(shí)間里,創(chuàng)新都集中在提高內(nèi)燃機(jī)的燃油燃燒效率,清理排放,同時(shí)提供舒適的用戶體驗(yàn)。然而,內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)最近的絕大多數(shù)創(chuàng)新都是電子技術(shù)進(jìn)步的直接結(jié)果——底盤(pán)系統(tǒng)、動(dòng)力總成、自主和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、信息娛樂(lè)和安全系統(tǒng)的改進(jìn)。電動(dòng)汽車(chē)具有許多與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)相同的電子系統(tǒng),當(dāng)然還有傳動(dòng)系統(tǒng)本身。根據(jù)美光科技的數(shù)據(jù),電動(dòng)汽車(chē)價(jià)值的電子部分高達(dá)75%,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步不斷降低各種電子模塊和子系統(tǒng)的成本,這一部分也在增加。即使是非傳統(tǒng)的汽車(chē)廠商,如英特爾,也在尋找其中的一部分。
毫不奇怪,在電動(dòng)汽車(chē)的所有電子子系統(tǒng)中,制造商和消費(fèi)者都關(guān)注電動(dòng)汽車(chē)的核心,即電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)包括可充電電池本身(鋰離子)是當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn),以及電池管理系統(tǒng)(BMS),該系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控電池最大限度地提高電池使用率和安全性。
裸金屬服務(wù)器監(jiān)控
BMS的主要功能是監(jiān)控電池的狀態(tài),或者在電動(dòng)汽車(chē)的情況下,監(jiān)控非常大的電池組或電池組的狀態(tài)。BMS 通常監(jiān)控單個(gè)電池和電池組電壓、電流、溫度、充電狀態(tài) (SOC)、健康狀態(tài)(SOH) 和其他相關(guān)功能,例如冷卻液流量。除了BMS提供的明顯的安全性和性能優(yōu)勢(shì)外,準(zhǔn)確監(jiān)控這些參數(shù)通??梢赞D(zhuǎn)化為更好的駕駛體驗(yàn),駕駛員可以充分了解實(shí)時(shí)電池狀況。
為了有效,BMS測(cè)量電路必須精確快速,具有高共模電壓抑制,功耗低,并與其他設(shè)備安全通信。EV BMS 的其他職責(zé)包括將能量回收回電池組(即再生制動(dòng))、平衡電池、保護(hù)電池組免受危險(xiǎn)水平的電壓、電流和溫度的影響,以及與其他子系統(tǒng)(例如充電器、負(fù)載、熱管理和緊急關(guān)機(jī))通信。
汽車(chē)制造商使用多種 BMS 監(jiān)控拓?fù)鋪?lái)滿足他們對(duì)準(zhǔn)確性、可靠性、易于制造、成本和功率要求的需求。例如,圖1所示的分布式拓?fù)鋸?qiáng)調(diào)本地智能的高精度,串聯(lián)電池組的高可制造性,以及通過(guò)低功耗SPI和isoSPI接口實(shí)現(xiàn)IC間通信的低功耗和高可靠性。
圖1中的拓?fù)浒ㄒ粋€(gè)EV電池組監(jiān)視器(在本例中為ADI公司的LTC2949),用于低側(cè)電流檢測(cè)配置,其中isoSPI通信線路與底部電池監(jiān)視器(LTC6811-1)并聯(lián)。為了增強(qiáng)可靠性,可以通過(guò)將第二個(gè)isoSPI收發(fā)器連接到電池組頂部并創(chuàng)建可在兩個(gè)方向上通信的環(huán)形拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)雙通信方案。與 SPI 主控制器的隔離通信通過(guò)一個(gè)LTC6820isoSPI 至 SPI 信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。ADI公司的可堆疊LTC681x系列多節(jié)電池監(jiān)視器可用于測(cè)量多達(dá)6、12、15或18節(jié)串聯(lián)電池的單個(gè)電壓,而單個(gè)LTC2949則用于測(cè)量總電池組參數(shù)。LTC681x 和 LTC2949 共同構(gòu)成了一個(gè)全面的 EV BMS 監(jiān)控解決方案 — 對(duì)于某些人來(lái)說(shuō),該電路可能更廣為人知的是 BMS 的模擬前端 (AFE)。
圖1.采用電池監(jiān)控器 (LTC6811-1) 和電動(dòng)汽車(chē)電池組(LTC2949) 的分布式 EV BMS 監(jiān)控拓?fù)洹?/p>
EV電池組監(jiān)視器是專(zhuān)為EV設(shè)計(jì)的高精度電流、電壓、溫度、電荷、功率和電能表。通過(guò)測(cè)量這些關(guān)鍵參數(shù),系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員具備了計(jì)算整個(gè)電池組的實(shí)時(shí)SOC和SOH以及其他品質(zhì)因數(shù)的基本要素。圖 2 示出了用于高端電流檢測(cè)配置的 LTC2949 的框圖。其中,LTC2949采用可調(diào)浮動(dòng)拓?fù)?,使其能夠監(jiān)控非常高電壓的電池組,不受其自身14.5 V額定電壓的限制。LTC2949 的電源通過(guò)一個(gè)具有 V 的LT8301隔離式反激式轉(zhuǎn)換器提供抄送連接到電池正極。
電動(dòng)汽車(chē)電池組監(jiān)控器的核心是軌到軌、低偏移、Σ-Δ型 ADC,可確保精確的電壓測(cè)量。在 LTC2949 中可用的 5 個(gè) ADC 中,有兩個(gè) 20 位 ADC 可用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)檢測(cè)電阻器兩端的電壓 (如圖 2 所示),并以 0.3% 的準(zhǔn)確度推斷流經(jīng)兩個(gè)獨(dú)立電源軌的電流;失調(diào)小于1 μV時(shí),可提供高動(dòng)態(tài)范圍。同樣,以高達(dá)18位和0.4%的精度測(cè)量電池組總電壓。兩個(gè)專(zhuān)用功率ADC檢測(cè)分流器和電池組電壓輸入,產(chǎn)生0.9%的精確功率讀數(shù)。最后的 15 位 ADC 可用于測(cè)量多達(dá) 12 個(gè)輔助電壓,便于與外部溫度傳感器或電阻分壓器配合使用。使用內(nèi)置多路復(fù)用器,該監(jiān)視器可以在 12 個(gè)緩沖輸入中的任何一對(duì)之間執(zhí)行差分軌到軌電壓測(cè)量,精度為 0.4%。
為了簡(jiǎn)化設(shè)置,監(jiān)視器的五個(gè)ADC形成三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道。每個(gè)通道可以配置為兩種速度之一,具體取決于應(yīng)用,如表 1 所示。例如,兩個(gè)通道可用于監(jiān)控單個(gè)分流電阻器:一個(gè)通道用于慢速(100 ms)高精度電流、功率、電荷和能量測(cè)量;另一個(gè)用于快速(782 μs)電流快照,與電池組電壓測(cè)量同步,用于阻抗跟蹤或預(yù)充電測(cè)量?;蛘?,通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立通道監(jiān)控的兩個(gè)不同尺寸的分流電阻(如圖2所示),允許用戶平衡每個(gè)分流器的精度和功率損耗。同時(shí),第三個(gè)輔助通道可以對(duì)可選緩沖輸入進(jìn)行快速測(cè)量,也可以對(duì)兩個(gè)可配置輸入(堆棧電壓、芯片溫度、電源電壓和基準(zhǔn)電壓)進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)(RR)測(cè)量。
表 1.LTC2949 的三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道的配置選項(xiàng)
由于 SOH 是電池(或電池組)生命周期中的一個(gè)點(diǎn),也是衡量其相對(duì)于新電池的狀況的指標(biāo),因此使用精確的 EV BMS 監(jiān)視器不僅要最大限度地提高行駛里程,還要最大限度地減少意外的電池故障,這一點(diǎn)很重要。說(shuō)到電池壽命,LTC2949在導(dǎo)通時(shí)僅消耗16 mA,在睡眠時(shí)僅消耗8 μA。當(dāng)監(jiān)視器的三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道中的任何一個(gè)配置為快速模式(782 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間和15位分辨率)時(shí),監(jiān)視器可以將其電池組電壓和電流測(cè)量值與任何LTC681x多節(jié)電池監(jiān)視器的電池電壓測(cè)量值同步,以推斷單個(gè)電池阻抗、年齡和SOH。有了這些信息,就可以評(píng)估堆棧電池壽命,因?yàn)樽钊醯碾姵刈罱K決定了整個(gè)堆棧的SOH。
數(shù)字優(yōu)勢(shì)
電動(dòng)汽車(chē)監(jiān)控器的數(shù)字功能包括過(guò)采樣乘法器和累加器,可生成 18 位功率值以及 48 位能量和電荷值,從而報(bào)告最小值和最大值,以及基于用戶定義限值的警報(bào)。這使BMS控制器和總線免于連續(xù)輪詢監(jiān)視器以獲取電壓和電流數(shù)據(jù)的任務(wù),以及根據(jù)結(jié)果執(zhí)行計(jì)算的額外任務(wù)。通過(guò)以過(guò)采樣ADC時(shí)鐘速率(預(yù)抽取濾波器)采集功率樣本,而不是乘以平均值,該監(jiān)視器可在電流和電壓變化遠(yuǎn)超其轉(zhuǎn)換速率的情況下準(zhǔn)確測(cè)量功率,信號(hào)高達(dá)50 kHz。
圖2.采用高端電流檢測(cè)配置的 LTC2949 浮動(dòng) EV 電池監(jiān)視器的典型連接。監(jiān)視器的電源通過(guò)帶 V 的 LT8301 反激式提供抄送連接到電池正極。
由于監(jiān)視器跟蹤電流、電壓、功率和溫度數(shù)據(jù)的最小值和最大值,因此總線和主機(jī)可以將時(shí)鐘周期用于其他任務(wù),而不是連續(xù)輪詢監(jiān)視器。除了檢測(cè)和存儲(chǔ)最小值和最大值外,監(jiān)視器還可以在超過(guò)任何用戶定義的閾值時(shí)發(fā)出警報(bào),再次將主控制器和總線從輪詢?nèi)蝿?wù)中釋放出來(lái)。監(jiān)視器還可以在提供指定量的能量或電荷后,或者在經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)的時(shí)間量后生成溢出警報(bào)。
為確保監(jiān)控精度,該監(jiān)視器提供可編程增益校正因子以補(bǔ)償測(cè)量組件的容差:兩個(gè)用于分流電阻器、一個(gè)電池分壓器和四個(gè)多路復(fù)用輸入。這些校正因子可以存儲(chǔ)在外部EEPROM中,以便采用模塊化方法對(duì)電池組進(jìn)行工廠校準(zhǔn)。該監(jiān)視器還可以通過(guò)求解具有可編程系數(shù)的斯坦哈特-哈特方程,對(duì)多達(dá)兩個(gè)外部NTC熱敏電阻的溫度讀數(shù)進(jìn)行線性化;然后,這些讀數(shù)可用于自動(dòng)對(duì)分流電阻讀數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過(guò)持續(xù)補(bǔ)償容差和溫度影響,不僅可以提高監(jiān)控精度,還可以使用成本更低的外部元件。
標(biāo)準(zhǔn)SPI接口可用于直接MCU連接,isoSPI接口提供標(biāo)準(zhǔn)芯片級(jí)SPI的物理層適配,釋放出經(jīng)濟(jì)高效的分布式封裝架構(gòu)的全部潛力。isoSPI 專(zhuān)為高電壓和高噪聲系統(tǒng)而設(shè)計(jì),僅使用一根雙絞線電纜和一個(gè)簡(jiǎn)單的脈沖變壓器,即可在長(zhǎng)達(dá) 100 米的電纜上提供高達(dá) 1 Mbps 的安全、可靠的信息傳輸。isoSPI也比其他板載隔離解決方案便宜。圖3顯示了如何利用isoSPI作為菊花鏈或可尋址并行配置中的最后一個(gè)元件的架構(gòu)。
圖3.采用 isoSPI 配置的架構(gòu)。
結(jié)論
電動(dòng)汽車(chē)已成為主流,導(dǎo)致大批量采用的拐點(diǎn)。為了保持競(jìng)爭(zhēng)力,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要密切關(guān)注電池和BMS技術(shù),這些技術(shù)對(duì)最終用戶體驗(yàn)有著深遠(yuǎn)的影響。電動(dòng)汽車(chē)電池組監(jiān)控器簡(jiǎn)化了多種電池堆監(jiān)控拓?fù)浜团渲玫奶幚?。幾乎在任何電壓和任何電流水平下,監(jiān)視器都能實(shí)現(xiàn)高性能、安全、靈活和可靠的電池管理系統(tǒng)。通過(guò)準(zhǔn)確讀取電流、電壓、功率、能量、電荷、溫度和時(shí)間,可立即準(zhǔn)確評(píng)估電池 SOH 和 SOC。關(guān)鍵最小值、最大值和警報(bào)可以通過(guò) isoSPI 接口進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算和報(bào)告。這減少了對(duì)主機(jī)資源、總線設(shè)計(jì)和測(cè)試以及軟件設(shè)計(jì)的需求。一些數(shù)字功能包括乘法器、累加器、最小/最大寄存器、可配置警報(bào)和外部元件容差/溫度補(bǔ)償。LTC2949 等監(jiān)視器專(zhuān)為獨(dú)立工作或與任何多節(jié)電池監(jiān)視器配合使用而設(shè)計(jì),可滿足對(duì)下一代 EV BMS 的關(guān)鍵需求,同時(shí)滿足嚴(yán)格的 AEC-Q100 準(zhǔn)則和 ISO 26262 安全標(biāo)準(zhǔn)。
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