如何建立高效電池管理
假定你接受了一項任務，為一個新的和基于電池的電源系統設計監視器電路，那么你會采取什么策略來優化該設計的成本和可制造性呢?最初考慮的問題將是確定系統的首選結構以及電池和有關電子組件的位置。基本結構清楚以后，接下來必須考慮的一個問題是，電路拓撲的權衡協調問題，例如，怎樣優化最終產品的通信和互連。
電池的外形尺寸將對電源系統結構有重大影響。要使用大量小型電池以適合形狀復雜的電池模塊 (或電池組) 嗎?或者要使用外形尺寸很大的電池，因而由于重量問題而導致對電池數量的限制或引起其他的尺寸限制?這也許是設計變數最大的部分，因為外形新穎的電池不斷上市，而且人們也在不斷努力，務求電池模塊或電池組集成到產品中后，會與整個產品概念更加一致。例如，在汽車設計情況下，電池最終也許分散在車輛上的某些空間中，這些空間如果不放電池，利用效率很低。
另一個考慮因素是，電池 (或模塊化電池組)、電池管理系統 (或其子系統) 以及最終應用接口之間的測試信號和 / 或遙測信號的互連。在大多數情況下，可以做一個外殼，用來集成電池模塊或電池組中的某些數據采集電路，以便如果需要調換，那么生產 ID、校準、使用規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 (BMS)或維修設備可能有用，而且最大限度地減少了線束中所需的高壓額定值導線的數量。
接下來，就給定的機械概念設計而言，監視硬件拓撲由精確定義的、所需支持的電池數量決定。在汽車應用中，一般情況下總共會有 100 個以上的電池測量點，而且系統的模塊化將決定一個給定的電路系統測量多少個電池。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據采集系統，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濟實惠的印刷電路板上，但是這需要大量互連，如圖 1 (a)所示。或者，電子組件也可以分散放置，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。為了實現可靠的數據完整性，內置于汽車線束中的遠端測量功能電路必須采用一種堅固型協議，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絡層，但是可以很方便地采用 PHY 層構成 BMS LAN 結構，以高效率地進行模塊內的通信。這類分布式結構如圖 1 (b)所示。該拓撲允許在幾個小型處理器之間分配計算工作量，從而降低所需的數據傳輸速率，并減輕 LAN 方法可能引起的 EMI 問題。最終的 BMS 應用接(jie)口很可能是至(zhi)一(yi)個(ge)主系(xi)統(tong)管理(li)處理(li)器的(de) CAN 總線(xian)接(jie)線(xian)，而且將需要定(ding)(ding)義(yi) (或在一(yi)開始(shi)規(gui)定(ding)(ding)) 特定(ding)(ding)的(de)信(xin)息事(shi)務處理(li)。
其他因素也可能對物理結構和監視電路造成影響。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與充電狀態關聯起來的方法，因而需要一些支持電路和連接方案。設計時一個常常忽視的考慮因素是，當產品安裝之前閑置或儲存在貨架上時，電池的電量泄漏應該是最低的。在有些情況下，額外的控制配線是必要的。
在上面實現的(de)這些(xie)結構(gou)中，都有(you)一(yi)個(ge)常見的(de)測(ce)(ce)量功(gong)能(neng)(neng)構(gou)件(jian)，該(gai)構(gou)件(jian)包括(kuo)一(yi)個(ge)多通道 ADC、安(an)全隔(ge)離(li)(li)勢壘和某(mou)種程(cheng)度的(de)本地處理能(neng)(neng)力。圖 2 電路顯示了一(yi)個(ge)實現數(shu)據(ju)(ju)采集功(gong)能(neng)(neng)的(de)可(ke)(ke)擴展設(she)計平臺(tai)。在這個(ge)圖中，實現功(gong)能(neng)(neng)的(de)核心(xin)組件(jian)是凌力爾特的(de) LTC6803 電池組監視器(qi) IC，同時顯示的(de)還有(you)一(yi)個(ge) SPI 數(shu)據(ju)(ju)隔(ge)離(li)(li)器(qi)和一(yi)些(xie)可(ke)(ke)選的(de)特殊用途電路。該(gai)電路包括(kuo)輸(shu)入濾波器(qi)和無源平衡功(gong)能(neng)(neng)，構(gou)成了一(yi)個(ge)完整的(de) 12 節電池數(shu)據(ju)(ju)采集解決方案。如果需(xu)要，這類電路可(ke)(ke)以簡單地復制，以支持更多電池測(ce)(ce)量方案，同時共享主微控制器(qi)的(de)本地 SPI 端(duan)口(kou)，該(gai)主微控制器(qi)反(fan)過來再提供(gong)外部 CAN 總線(xian)或其(qi)他 LAN 型數(shu)據(ju)(ju)鏈路所需(xu)。
與前一(yi)(yi)(yi)代監視器(qi)(qi)件(jian)(jian)相比(bi)，LTC6803 的(de)(de)(de)(de)(de)主要(yao)改進是，支持(chi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)停機和/或單獨由(you)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)組供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。當電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)從(cong) V+ 引腳去掉時，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)加(jia)載將降至零(僅有 nA 級半導(dao)體(ti)泄漏)。工作電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)可(ke)以(yi)由(you)接(jie)通的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)組電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓提供(gong)，或從(cong)一(yi)(yi)(yi)個(ge)單獨的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)提供(gong)給(gei) V+，只要(yao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓始終(zhong)至少與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)組一(yi)(yi)(yi)樣(yang)高就行。為了(le)實現簡單性(xing)，LTC6803 還(huan)可(ke)以(yi)直接(jie)從(cong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)組獲取(qu)功(gong)率(lv)，在(zai)這(zhe)種情(qing)況(kuang)下，最低(di)功(gong)率(lv)狀態(即(ji)備用(yong)) 將僅消(xiao)耗 12uA 電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。LTM2883 數(shu)據隔(ge)離(li)器(qi)(qi)通過一(yi)(yi)(yi)個(ge)內部隔(ge)離(li)的(de)(de)(de)(de)(de) DC-DC 轉換(huan)器(qi)(qi)，從(cong)主處理器(qi)(qi)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，因此該器(qi)(qi)件(jian)(jian)將自動與主處理器(qi)(qi)一(yi)(yi)(yi)起斷(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)。LTM2883 的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)(yi)個(ge)非常有用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)能是，它還(huan)能向隔(ge)離(li)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)組件(jian)(jian)(即(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)端) 提供(gong)很(hen)大和得自主機的(de)(de)(de)(de)(de)功(gong)率(lv)。一(yi)(yi)(yi)個(ge)小(xiao)型升壓電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)功(gong)能組件(jian)(jian) (圖(tu) 2 中的(de)(de)(de)(de)(de) LT3495-1) 就是這(zhe)樣(yang)驅動的(de)(de)(de)(de)(de)，以(yi)獨立地給(gei) LTC6803 供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)，以(yi)便電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)僅提供(gong) ADC 測量輸入電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流 (即(ji)在(zai)有效轉換(huan)時平(ping)均值 < 200nA)。該電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)具(ju)有絕對最低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)寄生電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)泄漏，同時消(xiao)除了(le)任何電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)工作電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流失(shi)配，否則這(zhe)種失(shi)配可(ke)能逐步導(dao)致電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)容量失(shi)衡。
LTC6803 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)(yi)個方便(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)功能(neng)是(shi)(shi)，有(you)(you)兩個自由的(de)(de)(de)(de)(de)(de)、準(zhun)(zhun)(zhun)確(que)度與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)輸(shu)(shu)(shu)入(ru)類(lei)似的(de)(de)(de)(de)(de)(de) ADC 輸(shu)(shu)(shu)入(ru)。這(zhe)種(zhong)方便(bian)(bian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)功能(neng)允(yun)許用(yong)(yong)(yong)(yong)很少(shao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)額外電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路進行輔助測(ce)量(liang)(liang)，包括溫度、校準(zhun)(zhun)(zhun)信號或負載(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流測(ce)量(liang)(liang)。一(yi)(yi)種(zhong)尤其有(you)(you)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)測(ce)量(liang)(liang)是(shi)(shi)，用(yong)(yong)(yong)(yong)一(yi)(yi)個門控電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)分壓(ya)器(qi)測(ce)量(liang)(liang)整個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，實現(xian)方法(fa)如圖 2 所(suo)示 (采(cai)用(yong)(yong)(yong)(yong) 12:1 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)比例(li)，連(lian)接到 VTEMP1 輸(shu)(shu)(shu)入(ru))。當電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路斷(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時，相關的(de)(de)(de)(de)(de)(de) FET 斷(duan)開，這(zhe)樣(yang)對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流的(de)(de)(de)(de)(de)(de)測(ce)量(liang)(liang)就不會不必要地加(jia)重電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)負擔。既然該端口的(de)(de)(de)(de)(de)(de)濾波可(ke)以獨立于電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)輸(shu)(shu)(shu)入(ru)來定制，那么為(wei)(wei)了實現(xian)精(jing)確(que)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流計算所(suo)需的(de)(de)(de)(de)(de)(de)、真正高(gao)(gao)達 200sps 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)奈奎斯特 (Nyquist)采(cai)樣(yang)率是(shi)(shi)可(ke)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。可(ke)以利用(yong)(yong)(yong)(yong)對(dui)單個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)測(ce)量(liang)(liang)來周期(qi)性地對(dui)整個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分壓(ya)器(qi)提供軟(ruan)件(jian)校準(zhun)(zhun)(zhun)，這(zhe)樣(yang)就不需要價格(ge)昂貴的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)器(qi)了。輔助輸(shu)(shu)(shu)入(ru)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)另一(yi)(yi)個非常(chang)有(you)(you)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)用(yong)(yong)(yong)(yong)法(fa)是(shi)(shi)，測(ce)量(liang)(liang)準(zhun)(zhun)(zhun)確(que)度很高(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)校準(zhun)(zhun)(zhun)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(諸(zhu)如凌力爾特的(de)(de)(de)(de)(de)(de) LT6655-3.3，一(yi)(yi)個準(zhun)(zhun)(zhun)確(que)度為(wei)(wei) 0.025% 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)基準(zhun)(zhun)(zhun))，在(zai)這(zhe)種(zhong)用(yong)(yong)(yong)(yong)法(fa)中，允(yun)許軟(ruan)件(jian)憑(ping)借(jie)通(tong)道至(zhi)通(tong)道的(de)(de)(de)(de)(de)(de)固有(you)(you)匹配，校正其他所(suo)有(you)(you)通(tong)道。請注意，熱(re)敏電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)溫度探(tan)頭(tou)不必以電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位為(wei)(wei)基準(zhun)(zhun)(zhun)，這(zhe)些(xie)探(tan)頭(tou)一(yi)(yi)般也不需要 12 位的(de)(de)(de)(de)(de)(de)分辨率。這(zhe)類(lei)探(tan)頭(tou)通(tong)常(chang)適用(yong)(yong)(yong)(yong)于直接與微(wei)控制器(qi)連(lian)接，從(cong)而留出高(gao)(gao)性能(neng) LTC6803 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)輔助輸(shu)(shu)(shu)入(ru)，以實現(xian)要求更加(jia)苛(ke)刻的(de)(de)(de)(de)(de)(de)功能(neng)。
總之，在電池管理系統電(dian)路中需要(yao)考(kao)慮的(de)(de)(de)因(yin)素有很多，特別(bie)是那(nei)些決(jue)定封裝(zhuang)(zhuang)限制(zhi)的(de)(de)(de)因(yin)素。當(dang)封裝(zhuang)(zhuang)設(she)計思(si)想匯聚在一(yi)起(qi)時(shi)，考(kao)慮一(yi)下也(ye)有可(ke)(ke)能產生(sheng)機械(xie)影響的(de)(de)(de)電(dian)子線路與信息流的(de)(de)(de)結構(gou)(例(li)如：連接器化和導(dao)線數(shu)(shu)目) 同(tong)樣也(ye)是很重(zhong)要(yao)。一(yi)旦權衡過這(zhe)些因(yin)素而且(qie)封裝(zhuang)(zhuang)設(she)計思(si)想成(cheng)熟之后，只需直接插入一(yi)款采用 LTC6803 平臺，一(yi)個聲名(ming)卓著、可(ke)(ke)擴(kuo)展和具成(cheng)本(ben)效(xiao)益的(de)(de)(de)數(shu)(shu)據采集(ji)解決(jue)方案便大功告成(cheng)了。
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