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详解电动汽车中的电池组监控IC

导读: 电池芯、超级电容和燃料电池芯都需要小心监护,以扩展诸如电动汽车和混合型汽车中的能源存储系统的使用范围,延长其寿命,并确保其安全性。电池正在一系列汽车应用中得到发展。微型混合型汽车采用传统的12V铅酸电池,并有交流发电机-电机单元,汽车停车时可以让引擎停机。

  电池芯、超级电容和燃料电池芯都需要小心监护,以扩展诸如电动汽车和混合型汽车中的能源存储系统的使用范围,延长其寿命,并确保其安全性(图1)。电池正在一系列汽车应用中得到发展。微型混合型汽车采用传统的12V铅酸电池,并有交流发电机-电机单元,汽车停车时可以让引擎停机。当踩下油门时,引擎会顺滑地起动,然后正常运行。而混合型汽车有更大的电池,如丰田公司的Prius、本田公司的Insight和雪佛兰的Volt。这些电池产生的电压超过200V。传统电池芯的化学类型是NiMH(镍金属-氢化物),但很多锂化学技术能在某种重量下提供更高的能量(图2)。全电动汽车(如Tesla的Roadster和尼桑的Leaf)都有最大的电池,它们电池组的电压范围从300V 400V。

 

  

 

  电池电压越高,在给定功率下的电流就会越低,从而减小了昂贵铜线电缆的直径。更重要的是,较高的电压可以采用较大输出的电机绕组。2004年,丰田为Prius增加了一个升压转换器,将电池组电压从200V升高至500V。这一步骤使丰田重新设计了推进电机,将扭矩从350 Nm提高到400 Nm,而功率从33 kW提高到50 kW(参考文献1)。

  数据中心亦将300V电池串用于UPS(不间断电源)备份电源。在这种应用中,锂离子电池正在替代铅酸电池。汽车利用了锂离子更好的重量能量密度,即每磅或每千克的能量。UPS应用则利用了锂离子电池的体积能量密度。数据中心的空间都很昂贵,尽管锂离子电池系统价格可能较高,但它占据的空间只有铅酸电池系统的四分之一。这一事实通常能让数据中心将电池和转换器系统放在一间屋子里。有些数据中心正在考虑去掉转换器,而将直流电源输送给可以接受直流输入的数据中心服务器。

  由于锂离子电池的尺寸小,它们在电网级应用中可获得与数据中心相同的效益。有些电网级方案倾向采用燃料电池,而高压燃料电池组要求与电化学电池相同的精心监护。燃料电池芯还有特殊要求,在使用期间燃料电池芯有两种极性,会表现出多种故障模式。IC制造商正在使自己的电池组监护芯片适应于承受这些电池芯的负电压。

 

  

  图2,电动汽车与UPS应用都可能使用多种电池类型,它们都需要用电池组测量IC作监控(Linear Technology公司提供)。

 

  当监护超级电容组时,也会出现类似的问题。用户希望获得电容的全部能量,而这样就意味着要将其放电至0V。如果出现这种情况,则介电效应将使电容出现一个负电压,一般可达-0.5V。有些IC制造商正在改进自己的电池组芯片,使之能承受负电势。超级电容存储的能量少于电池或燃料电池,因此较少用于高能应用(见附文1“电池的化学特性”)。

 

  电池芯监控

 

  汽车与UPS制造商都希望精确地监控一个电池组中的每只电池芯。Analog Devices公司混合与电动汽车行业营销经理Paul Maher说:“你肯定不愿因为一只坏电池芯而让汽车停下来,但过热情况下就得停车了。”对汽车电池的监控非常关键。他补充说:“一台笔记本电脑的电池预计可使用两年,但一个汽车电池组应可持续10年。”

  测量必须很精确,因为数毫伏电压可能代表着大量的电荷。测量有一种共模问题,它要在有数百伏共模电势情况下,尝试对电池芯的精确测量。这种测量不是可以使用集成ADC的直流测量。电池电压可能以千赫的速率做改变,原因是电机变频器电路的斩波动作。此外,测量系统还需要有隔直措施,因为电池电压很危险。芯片必须耗电很低,这样才不会消耗掉电池能量。除了测量本身的困难以外,还必须将测量结果送至汽车或数据中心的多个目标点。

 

  

  图3,本电路解决了共模电压的测量问题,方法是通过一个小型隔离变压器,传送电池芯电压与二极管压降。

 

  电池组监控电路的第一个挑战就是精度。现代锂离子电池芯有一个平坦的放电曲线。德州仪器公司功率营销经理Matthew Borne称:“在对电池芯的充电状态估测时,5 mV的测量误差代表10%的错误。”必须停止电池的放电,否则会损坏电池,因此较高的精度直接对应着更大的范围;一个4V电池芯上的8 mV准确度对应0.2%的精度。要提供0.2%的系统精度,电压基准在时间和温度上的精度都必须为约0.1%(参考文献2)。

  一旦获得了足够的精度,就面临着另一个问题:测量一只可能与十几只其它电池芯串联的4V电池芯。如果打算用衰减器来测量电池芯电压,就可能需要精密电阻分压器(见附文2“共模问题”)。薄膜电阻并不够精确,不能随温度而保持足够紧密的跟踪性。

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