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[经验] LTC6802电池组监视器在电动汽车和混合动力电动汽车的应用

2019-5-13 14:11:41  487 LTC6802 电动汽车
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作者:Jim Douglass
设计经理
凌力尔特公司
下一代电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 正在促进新电池技术的发展。为了最大限度降低成本并最大限度提高效率,汽车系统设计师需要利用全部可用的电池存储容量。电池监视架构必须是全面、准确和坚固,但不会因此而牺牲成本和可靠性。凌力尔特公司新的 LTC6802 电池组监视器给系统设计师带来了灵活性以优化系统,从而实现所需的性能。

用于电动汽车和混合动力电动汽车的电池技术已经获得了显著进步。电池能量密度已经稳步提高,而且今天电池可以可靠地充电和放电数千次。如果设计师能有效利用这些在能量容量方面的进步,那么就成本、可靠性和寿命而言,电动汽车和混合动力电动汽车就有潜力与传统汽车竞争。

一个电池规定的容量指的是电池从 100% 充电状态到零充电状态能提供的电量。充电到 100% 充电状态或放电到零充电状态会迅速缩短一个电池的寿命。电池应该仔细管理以避免完全充电或放电状态。与在 30% 到 70% 的充电状态 (40% 的容量) 之间工作相比,在 10% 充电状态到 90% 充电状态之间工作(利用 80% 的规定容量) 能以 3 或更大的倍数减少总的充电周期数。

要在有效电池容量和电池寿命之间取得平衡给电池系统设计师带来了挑战。考虑一下上述 40% 循环与 80% 循环的情况。如果一个系统将电池限制为仅以 40% 循环以使电池寿命延长 3 倍,那么电池尺寸必须增大一倍以实现与 80% 循环情况同样的可用容量。这会使电池系统的重量和体积增大一倍,从而提高成本并降低效率。

汽车制造商一般要求电池寿命超过 10 年,而且他们规定需要的可用电池容量。对电池系统设计师的挑战是,竭尽所能用最小的电池组实现最大的容量。为了达到这个目标,电池系统必须用精密的电子电路仔细控制和监视电池。

电动汽车电池组系统

电动汽车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有 96 个电池,就充电到 4.2V 的锂离子电池而言,可产生超过 400V 的总电压。尽管汽车电源系统将电池组看作单个高压电池,每次都对整个电池组充电和放电,但是电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池,那么经过多个充电/放电周期后,其充电状态将逐渐偏离其余电池。如果这个电池的充电状态没有周期性地与其余电池平衡,那么它最终将进入深度放电状态,从而导致损坏,并最终形成电池组故障。为了防止这种情况发生,每个电池的电压都必须监视,以确定充电状态。此外,必须有一个装置让电池单独充电或放电,以平衡这些电池的充电状态。

电池组监视系统的一个重要考虑因素是通信接口。就 PC 板内的通信而言,常用的选项包括串行外设接口 (SPI) 总线、I2C总线。每种总线都有低的通信开销,适合于低干扰环境。另一个选项是控制器局域网 (CAN) 总线,这种总线在汽车应用中被广泛使用。CAN 总线非常坚固,具有误差检测和故障容限,但是它有极大的通信开销和很高的材料成本。尽管从电池系统到汽车主 CAN 总线的连接是需要的,但是在电池组内 SPI 或 I2C 通信是有利的。

凌力尔特公司已经推出一款使电池系统设计师能够满足这些苛刻要求的器件。LTC6802 是一个电池组监视器集成电路,能测量多达 12 个叠置电池的电压。LTC6802 还有内部开关,使电池可以单独放电,以使它们能与电池组中其余电池进入平衡的状态。

为了说明电池组架构,考虑一个具有 96 个锂离子电池的系统。这将需要 8 个 LTC6802 来监视整个电池组,其中每个器件都以不同的电压工作。当采用 4.2V 锂离子电池时,底端监视器件将跨接在 12 个电池上, 电位调节范围为 0V 至 50.4V。下一组电池的电压范围为 50.4V 到 100.8V,顺着电池组依此类推。这些器件之间在不同的电压上通信带来了难以克服的挑战。人们已经考虑过多种方法,考虑到汽车制造商优先考虑的重点不同,每种方法都有优点和缺点。

电池监视要求

在电池监视系统架构之间作抉择时,至少有 5 个需要平衡的主要要求。它们的相对重要性取决于最终客户的需求和期望。

准确性

为了利用可能的最大电池容量,电池监视器需要准确。不过,汽车是一种噪声系统,在很大的频率范围内存在电磁干扰。任何准确性损失都会对电池组寿命和性能造成有害影响。

可靠性

不管采用何种电源,汽车制造商必须满足极高的可靠性标准。此外,高能量容量以及有些电池技术潜在的易变本质是人们担心的主要安全问题。相对于严重的电池故障而言,在保守性条件下执行关断操作的故障保险系统更加可取,尽管它有可能使乘客不幸滞留。因此,必须仔细监视和控制电池系统,以在系统中确保对整个电池寿命期的彻底控制。为了最大限度减少假的和真的故障,一个良好设计的电池组系统必须有坚固的通信、最大限度减少故障的模式、以及故障检测。

可制造性

现代的汽车已经包含了大量采用复杂布线线束的电子产品。就汽车制造而言,增加复杂的电子电路和配线以支持电动汽车/混合动力电动汽车电池系统会提高复杂性。总的组件和连接数量必须最大限度减少以满足严格的尺寸和重量限制,并确保大批量生产是切实可行的。

成本

复杂的电子控制系统可能很昂贵。最大限度减少如微控制器、接口控制器、电流隔离器、和晶体等成本相对高昂的组件数量可以极大地降低系统的总成本。

功率

电池监视器本身也是电池的负载。较低的工作电流可提高系统效率,较低的备用电流可在汽车熄火后防止电池过度放电。
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电池监视架构

4 种电池监视系统架构如图 1 至 4 所示,并描述如下。表 1 假设一个由 96 个电池组成的系统以 12 个电池为一组分成 8 组,在这种情况下总结了每种架构的优点和缺点。在每种情况下,一个 LTC6802 监视一个由 12 个电池组成的电池组。

每种架构都设计为一个自主的电池监视系统。每种架构都提供一个到汽车主 CAN 总线的 CAN 总线接口,而且与汽车的其余部分是电流隔离的。

并行独立 CAN 模块 (图 1)

每个由 12 个电池组成的模块都含有一个 PC 板,板上有一片 LTC6802、一个微控制器、一个 CAN 接口和一个电流隔离变压器。系统所需的大量电池监视数据会压垮汽车的主 CAN 总线,因此这些 CAN 模块需要在局域 CAN 子网上。这个 CAN 子网由一个主控制器协调,该控制器还提供了至汽车主 CAN 总线的网关。



图1:并行独立 CAN 模块。


具 CAN 网关的并行模块 (图 2)

每个由 12 个电池组成的模块都含有一个 PC 板,板上有一片 LTC6802 和一个数字隔离器。这些模块与控制器电路板有独立的接口连接,控制器电路板上含有一个微控制器、一个 CAN 接口和一个电流隔离变压器。微控制器协调这些模块并提供到汽车主 CAN 总线的网关。



图2:具 CAN 网关的并行模块。


具 CAN 网关的单个监视模块 (图 3)

在这种配置中,由 12 个电池组成的模块内部没有监视和控制电路。取而代之的是,单个 PC 板上有 8 个 LTC6802 监视器 IC,每个 IC 都连接到其电池模块。LTC6802 器件通过非隔离 SPI 兼容串行接口通信。单个微控制器通过 SPI 兼容串行接口控制全部电池组监视器,它还是到汽车主 CAN 总线的网关。再加上一个 CAN 收发器和一个电流隔离变压器就形成了完整的电池监视系统。



图3:具 CAN 网关的单个监视模块。


具 CAN 网关的串行模块 (图 4)

这种架构类似于单个监视模块,除了每个 LTC6802 都在由 12 个电池组成的模块内部的 PC 板上。这 8 个模块通过 LTC6802 非隔离 SPI 兼容串行接口通信,这需要在电池模块对之间连接 3 或 4 个传导电缆。单个微控制器通过底部监视器 IC 控制全部电池组监视器,同时兼作到汽车主 CAN 总线的网关。这里仍然需要一个 CAN 收发器和一个电流隔离变压器以形成完整的电池监视系统。



图4:具 CAN 网关的串行模块。


电池监视架构选择

第一种和第二种架构由于并行接口需要大量连接和外部隔离,一般易产生问题。为了应对这一复杂性提高的问题,设计师需要实现到每个监视器器件的独立通信。第三种 (具 CAN 网关的单个监视模块) 和第四种 (具 CAN 网关的串行模块) 架构都是有最少限制的简化方法。LTC6802 可满足所有 4 种配置的需求,系统设计师可以选择 LTC6802 的两个变体,一个用于串行配置,一个用于并行配置。

LTC6802-1 用于叠置式 SPI 接口配置。多个 LTC6802-1 器件可以通过一个接口串行连接,该接口无需外部电平移位器或隔离器就可沿着电池组来回发送数据。LTC6802-2 允许单个器件用在并行架构中。两个变体具有同样的电池监视规格和功能。

电动汽车对电池组有大量需求。汽车制造商希望具经济效益的电池系统,以满足他们严格的可靠性要求。凌力尔特公司最新的电池监视集成电路给系统设计师带来了灵活性,以在性能不打折扣的情况下选择最佳电池组架构。

表1:电池监视架构比较



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