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高壓電動汽車的低壓電池監(jiān)控

發(fā)布時間:2022-11-28 責任編輯:lina

【導讀】如果您還沒有駕駛電動汽車 (EV)——混合動力電動汽車 (HEV)、插電式混合動力汽車(PHEV) 或全電動汽車——那么很有可能,您可能很快就會駕駛。里程焦慮已成為過去。您現(xiàn)在可以幫助保護環(huán)境,而不必擔心被困在其中。世界各國政府提供慷慨的財政激勵措施來抵消電動汽車的溢價,希望引導您遠離購買內燃機(ICE)汽車。一些政府已經采取措施,要求汽車制造商制造和銷售電動汽車,希望市場最終將由它們主導,而另一些政府則在沙子上劃了一條更明確的界限;例如,德國已經在推動到2030年禁止內燃機汽車。


電動汽車搬運工


如果您還沒有駕駛電動汽車 (EV)——混合動力電動汽車 (HEV)、插電式混合動力汽車(PHEV) 或全電動汽車——那么很有可能,您可能很快就會駕駛。里程焦慮已成為過去。您現(xiàn)在可以幫助保護環(huán)境,而不必擔心被困在其中。世界各國政府提供慷慨的財政激勵措施來抵消電動汽車的溢價,希望引導您遠離購買內燃機(ICE)汽車。一些政府已經采取措施,要求汽車制造商制造和銷售電動汽車,希望市場最終將由它們主導,而另一些政府則在沙子上劃了一條更明確的界限;例如,德國已經在推動到2030年禁止內燃機汽車。


在汽車歷史的大部分時間里,創(chuàng)新都集中在提高內燃機的燃油燃燒效率,清理排放,同時提供舒適的用戶體驗。然而,內燃機汽車最近的絕大多數(shù)創(chuàng)新都是電子技術進步的直接結果——底盤系統(tǒng)、動力總成、自主和高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、信息娛樂和安全系統(tǒng)的改進。電動汽車具有許多與內燃機汽車相同的電子系統(tǒng),當然還有傳動系統(tǒng)本身。根據(jù)美光科技的數(shù)據(jù),電動汽車價值的電子部分高達75%,隨著半導體技術的進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)的汽車廠商,如英特爾,也在尋找其中的一部分。


毫不奇怪,在電動汽車的所有電子子系統(tǒng)中,制造商和消費者都關注電動汽車的核心,即電池系統(tǒng)。電池系統(tǒng)包括可充電電池本身(鋰離子)是當前標準,以及電池管理系統(tǒng)(BMS),該系統(tǒng)通過監(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),或者在電動汽車的情況下,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)勢外,準確監(jiān)控這些參數(shù)通??梢赞D化為更好的駕駛體驗,駕駛員可以充分了解實時電池狀況。


為了有效,BMS測量電路必須精確快速,具有高共模電壓抑制,功耗低,并與其他設備安全通信。EV BMS 的其他職責包括將能量回收回電池組(即再生制動)、平衡電池、保護電池組免受危險水平的電壓、電流和溫度的影響,以及與其他子系統(tǒng)(例如充電器、負載、熱管理和緊急關機)通信。


汽車制造商使用多種 BMS 監(jiān)控拓撲來滿足他們對準確性、可靠性、易于制造、成本和功率要求的需求。例如,圖1所示的分布式拓撲強調本地智能的高精度,串聯(lián)電池組的高可制造性,以及通過低功耗SPI和isoSPI接口實現(xiàn)IC間通信的低功耗和高可靠性。


圖1中的拓撲包括一個EV電池組監(jiān)視器(在本例中為ADI公司的LTC2949),用于低側電流檢測配置,其中isoSPI通信線路與底部電池監(jiān)視器(LTC6811-1)并聯(lián)。為了增強可靠性,可以通過將第二個isoSPI收發(fā)器連接到電池組頂部并創(chuàng)建可在兩個方向上通信的環(huán)形拓撲來實現(xiàn)雙通信方案。與 SPI 主控制器的隔離通信通過一個LTC6820isoSPI 至 SPI 信號轉換器實現(xiàn)。ADI公司的可堆疊LTC681x系列多節(jié)電池監(jiān)視器可用于測量多達6、12、15或18節(jié)串聯(lián)電池的單個電壓,而單個LTC2949則用于測量總電池組參數(shù)。LTC681x 和 LTC2949 共同構成了一個全面的 EV BMS 監(jiān)控解決方案 — 對于某些人來說,該電路可能更廣為人知的是 BMS 的模擬前端 (AFE)。


高壓電動汽車的低壓電池監(jiān)控

圖1.采用電池監(jiān)控器 (LTC6811-1) 和電動汽車電池組(LTC2949) 的分布式 EV BMS 監(jiān)控拓撲。


EV電池組監(jiān)視器是專為EV設計的高精度電流、電壓、溫度、電荷、功率和電能表。通過測量這些關鍵參數(shù),系統(tǒng)設計人員具備了計算整個電池組的實時SOC和SOH以及其他品質因數(shù)的基本要素。圖 2 示出了用于高端電流檢測配置的 LTC2949 的框圖。其中,LTC2949采用可調浮動拓撲,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 的電源通過一個具有 V 的LT8301隔離式反激式轉換器提供抄送連接到電池正極。


電動汽車電池組監(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量。在 LTC2949 中可用的 5 個 ADC 中,有兩個 20 位 ADC 可用于測量兩個檢測電阻器兩端的電壓 (如圖 2 所示),并以 0.3% 的準確度推斷流經兩個獨立電源軌的電流;失調小于1 μV時,可提供高動態(tài)范圍。同樣,以高達18位和0.4%的精度測量電池組總電壓。兩個專用功率ADC檢測分流器和電池組電壓輸入,產生0.9%的精確功率讀數(shù)。最后的 15 位 ADC 可用于測量多達 12 個輔助電壓,便于與外部溫度傳感器或電阻分壓器配合使用。使用內置多路復用器,該監(jiān)視器可以在 12 個緩沖輸入中的任何一對之間執(zhí)行差分軌到軌電壓測量,精度為 0.4%。


為了簡化設置,監(jiān)視器的五個ADC形成三個數(shù)據(jù)采集通道。每個通道可以配置為兩種速度之一,具體取決于應用,如表 1 所示。例如,兩個通道可用于監(jiān)控單個分流電阻器:一個通道用于慢速(100 ms)高精度電流、功率、電荷和能量測量;另一個用于快速(782 μs)電流快照,與電池組電壓測量同步,用于阻抗跟蹤或預充電測量?;蛘?,通過兩個獨立通道監(jiān)控的兩個不同尺寸的分流電阻(如圖2所示),允許用戶平衡每個分流器的精度和功率損耗。同時,第三個輔助通道可以對可選緩沖輸入進行快速測量,也可以對兩個可配置輸入(堆棧電壓、芯片溫度、電源電壓和基準電壓)進行自動循環(huán)(RR)測量。


表 1.LTC2949 的三個數(shù)據(jù)采集通道的配置選項

高壓電動汽車的低壓電池監(jiān)控


由于 SOH 是電池(或電池組)生命周期中的一個點,也是衡量其相對于新電池的狀況的指標,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,這一點很重要。說到電池壽命,LTC2949在導通時僅消耗16 mA,在睡眠時僅消耗8 μA。當監(jiān)視器的三個數(shù)據(jù)采集通道中的任何一個配置為快速模式(782 μs轉換時間和15位分辨率)時,監(jiān)視器可以將其電池組電壓和電流測量值與任何LTC681x多節(jié)電池監(jiān)視器的電池電壓測量值同步,以推斷單個電池阻抗、年齡和SOH。有了這些信息,就可以評估堆棧電池壽命,因為最弱的電池最終決定了整個堆棧的SOH。


數(shù)字優(yōu)勢


電動汽車監(jiān)控器的數(shù)字功能包括過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,從而報告最小值和最大值,以及基于用戶定義限值的警報。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,以及根據(jù)結果執(zhí)行計算的額外任務。通過以過采樣ADC時鐘速率(預抽取濾波器)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超其轉換速率的情況下準確測量功率,信號高達50 kHz。


高壓電動汽車的低壓電池監(jiān)控

圖2.采用高端電流檢測配置的 LTC2949 浮動 EV 電池監(jiān)視器的典型連接。監(jiān)視器的電源通過帶 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,因此總線和主機可以將時鐘周期用于其他任務,而不是連續(xù)輪詢監(jiān)視器。除了檢測和存儲最小值和最大值外,監(jiān)視器還可以在超過任何用戶定義的閾值時發(fā)出警報,再次將主控制器和總線從輪詢任務中釋放出來。監(jiān)視器還可以在提供指定量的能量或電荷后,或者在經過預設的時間量后生成溢出警報。


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償測量組件的容差:兩個用于分流電阻器、一個電池分壓器和四個多路復用輸入。這些校正因子可以存儲在外部EEPROM中,以便采用模塊化方法對電池組進行工廠校準。該監(jiān)視器還可以通過求解具有可編程系數(shù)的斯坦哈特-哈特方程,對多達兩個外部NTC熱敏電阻的溫度讀數(shù)進行線性化;然后,這些讀數(shù)可用于自動對分流電阻讀數(shù)進行溫度補償。通過持續(xù)補償容差和溫度影響,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。


標準SPI接口可用于直接MCU連接,isoSPI接口提供標準芯片級SPI的物理層適配,釋放出經濟高效的分布式封裝架構的全部潛力。isoSPI 專為高電壓和高噪聲系統(tǒng)而設計,僅使用一根雙絞線電纜和一個簡單的脈沖變壓器,即可在長達 100 米的電纜上提供高達 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元件的架構。


高壓電動汽車的低壓電池監(jiān)控

圖3.采用 isoSPI 配置的架構。


結論


電動汽車已成為主流,導致大批量采用的拐點。為了保持競爭力,系統(tǒng)設計人員需要密切關注電池和BMS技術,這些技術對最終用戶體驗有著深遠的影響。電動汽車電池組監(jiān)控器簡化了多種電池堆監(jiān)控拓撲和配置的處理。幾乎在任何電壓和任何電流水平下,監(jiān)視器都能實現(xiàn)高性能、安全、靈活和可靠的電池管理系統(tǒng)。通過準確讀取電流、電壓、功率、能量、電荷、溫度和時間,可立即準確評估電池 SOH 和 SOC。關鍵最小值、最大值和警報可以通過 isoSPI 接口進行測量、計算和報告。這減少了對主機資源、總線設計和測試以及軟件設計的需求。一些數(shù)字功能包括乘法器、累加器、最小/最大寄存器、可配置警報和外部元件容差/溫度補償。LTC2949 等監(jiān)視器專為獨立工作或與任何多節(jié)電池監(jiān)視器配合使用而設計,可滿足對下一代 EV BMS 的關鍵需求,同時滿足嚴格的 AEC-Q100 準則和 ISO 26262 安全標準。


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