鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年03月18日
用于大功率鋰離子電池組的電池管理設計
基于鋰的電池化學材料在大功率工業和交通運輸系統中正在迅速取代鉛酸和鎳氫金屬(NiMH)材料。不過，鋰化學材料在能量和功率密度方面的優點被電池管理電路更高的復雜性抵消了。在這些“下一代”電池管理系統(BMS)中，開發人員要應對非常具有挑戰性的設計限制。他們必須在嚴酷的噪聲環境中，在寬溫度范圍內和存在幾百伏共模電壓的情況下，以非常高的精確度測量每節電池的電壓。
鋰離子電池組由一組單節鋰離子電池制成，這些電池的典型電壓/電流值為2.5～3.9V和4～40Ahr。在很多系統中，電池組由36～200節電池串聯而成。混合電動汽車中就應用了電池組，其必須供應快速可再充電能力，而且消費者也要求電池組壽命至少達10年，并在一次充電后的行駛距離達到100英里，峰值充電電流和放電電流約為200A，最重要的是，其發生ROE(快速氧化事件，即著火)的可能性必須小于燃油動力汽車。當然，必須以對汽車成本影響最小的方式供應所有這些性能?？傊捎娩囯x子電池組的電動汽車(EV)的設計要求在性能、經濟性和安全性之間取得平衡。兩個關鍵要素是電池設計和電池管理電路。
一個鋰離子電池充電到100%或放電到0%將降低其長期容量。因此，鋰離子電池的工作充電狀態通常被限制到一個較小的范圍，諸如30%～70%。為了充分利用可用電池容量范圍，電池系統必須非常準確地監視每節電池的電壓(該電壓直接對應于充電狀態)。這是因為鋰離子電池具有相對平坦的充電曲線(見圖1)。例如，僅為幾毫伏的電池電壓變化就代表了1%的充電狀態變化。
圖1典型的鋰離子電池放電曲線
在一個高壓電池組中，采用多節鋰離子電池給保持特定充電狀態范圍這個目標，新增了極大的復雜性。一個鋰離子電池組不能像單個電源那樣充電和放電。由于制造的差異性，各節電池的容量略有不同，而且這種容量差異隨著時間的推移會增大，因為較差的電池比其他電池老化快。就容量偏小的電池而言，它們的充電狀態在多個充電和放電周期之后將逐漸偏離。假如每節電池的充電狀態未得到周期性均衡，那么有些電池最終將過度充電或放電，從而損壞，并最終形成電池組故障。
此外，大功率電池應用一般必須應對電源負輸出、開關穩壓器、繼電器、啟動裝置和其他來源出現的顯著噪聲。圖2為一個包含100節電池的電池組的輸出，該輸出具有來自10kHz負輸出的尖峰，為電動機供電。在這個例子中，每節電池都有一個3.7V的平均DC值，而且100V瞬態電壓均等地分攤到100節電池上。最上面那節電池具有370V共模電壓，100V共模開關瞬態電壓和1V差分瞬態電壓。
圖2高壓電池組開關噪聲
顯然，電池管理電路面對著一個非常大的挑戰。這些電路必須能快速和準確地測量每節電池的電壓。這要求能夠從一個0～1000V的共模電壓中抽取一個小的差分電壓。現在的電池管理系統(BMS)大部分使用現售組件的組合，這些組件以模塊化方式排列。如圖3所示，一個由36節電池組成的電池組，以12節電池為一組分3組來進行監控。這樣做能降低每套模擬電路上的共模電壓。由2節電池組成的模塊為模擬電路供應局部電源和地，該模擬電路采用LTC6802-1電池組監視器。
圖3典型的電池組配置
LTC6802為大型電池組處理數據采集任務，而且尤其適用于鋰離子電池。其可直接連接到電池串中的每一節。每節電池的電壓都以1.5mV的分辨率數字化成一個12位字。因為使用了一個獨特的電平移位串行接口，多個LTC6802無須光耦合器或隔離器就可以串聯疊置。在高抗噪串行數據沿著電池組被發送到一個系統控制器時，器件可以從每節電池處精確地直接測量電壓。此外，當多個LTC6802器件串聯連接時，它們可以同時運行，從而能對電池組中的所有電池進行快速和準確的電壓測量。
圖4LTC6802方框圖
在整個溫度和電壓范圍內，電壓測量準確度高于99.75%，而且電池組中所有電池的電壓都可以在13ms內測量。每節電池的欠壓和過壓情況都得到監視，而且每節電池的輸入都有一個MOSFET開關，該開關可用來對任何過度充電的電池放電。這些開關用于所謂的無源充電均衡，以應對上述的電池均衡挑戰。每個LTC6802都可通過一個1MHz的串行接口通信，該接口支持廣播和尋址指令。該器件還包括兩個熱敏電阻輸入以測量環境或電池組溫度、兩條GpIO線和一個5V穩壓器。凌力爾特公司為具有挑戰性的汽車環境做出了特殊考慮；LTC6802設計在工業溫度范圍內工作，具有高的抗ESD、抗EMI和抗噪聲性能，并具有內置的診斷和自測試功能。
經過多年的努力與不斷進步，高能量電池系統的日常使用不久就將切實可行，尤其是作為電動和混合電動汽車的組成部分。在這種情況出現之前，必須為實用、經濟和可靠的電池系統解決各個層次的技術問題。而LTC6802供應了一個很好的解決方法，這個IC將數據采集功能集成到單個器件中，能夠支持由很多電池組成的長電池串。像這樣的進步將確保電動和混合電動汽車的商業成功，并為很多其他應用創造機會。
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