原创 HEV中高电压锂离子电池的管理

　　飞升的能量价格和对碳排放日益增长的忧虑迫使人们将注意力集中到电动汽车和混合电动汽车上。新型锂电池设计将是高效EV和HEV的关键技术。

　　从一只锂电池芯安全地获得最大能量和寿命需要一些高级的电子技术。例如，一种要求是能在一堆100节串联电池芯中，测出每块3.7V电池芯上的电压。如何对付370V的共模电压，以及抑制100V的共模开关瞬变？为EV（电动车）、HEV（混合电动车）和UPS（不间断电源）应用设计电池管理系统时，都需要解决很多这类问题。

　　电池如何使汽车“环保”，为什么要在锂电池上大作文章？首先，根据加州汽车计划（California Cars Initiative），采用电力运行汽车的成本相当于每加仑75美分的汽油。因此，一辆纯电动车的每日运行成本很低。其次，如要驾驶100英里以上，就仍需要汽油引擎，而电池可以增加汽油公里数。鉴于汽车能够存储的能量限制了驾驶的距离，采用大型锂电池块，在8小时充电后可以驾驶100英里。汽油的每公斤能量相当于锂离子电池的80倍，并且几分钟就可以加满一箱油。然后只要有足够的咖啡，你就可以一直开车。不过，内燃引擎的峰值效率只有30%，在高转速下的平均效率约为12%。在加速时用电池提供扭矩，以及在刹车时回收能量，意味着汽油引擎可以减少运行，并以更高效率工作，实际上可将每加仑英里数增加一倍。

　　汽车中加电池的第三个原因是降低排放。一加仑汽油会产生9kg二氧化碳。清洁能源（如风能）转换为电能时不会产生二氧化碳排放。因此，电池是提高单位价格英里数和降低单位里程二氧化碳排放重量的关键。电池存储的每公斤能量越多，电池的效率就越高。今天的2009款汽车采用的是镍氢电池。转向锂离子电池可将能量密度提高150%。到2012款时，大多数混合型汽车和卡车都将采用锂电池技术。

　　汽车如何使用锂电池芯

　　当考虑在汽车中采用锂电池时，应分析串联混合、并联混合、纯电动和其它类型汽车的动力传动框图。不过还好，任何汽车的锂电池块都差不多。构建块是一组100~200个2.5V~3.9V的4A~40A的串联电池芯。这个直流动力源用于驱动一个30kW~70kW的电机。整个电池块的电压很高，因此对某个功率级的平均电流较低。较低电流需要较小的电缆、较低的重量，以及较低的成本。电池块应在峰值情况下提供200A电流，并可以快速重新充电。换句话说，电池在要求有良好能量密度的同时，也要求有良好的功率密度。大型系统（如大客车和拖车）使用多达四个640V并联块。

　　锂电池块的设计问题是性能、经济性和安全性之间的权衡。两个主要的变量是电池芯设计以及电池芯管理电路。例如，假设需要制造一种EV，它每次充电可行驶100英里，采用的电池块可用10年，然后才必须购买或租用新车。为满足10年、3650次充电循环的目标，可以只使用电池的一部分容量（如40%）。为尽量降低汽车成本，你希望使用最轻的电池，而电池是电池块中最贵的部分。为实现性能最大化，电池芯必须承受200A峰值充放电电流。最重要的是，快速氧化事件的可能性（如着火）必须低于汽油动力汽车。

　　传统的锂钴电池芯（类似与笔记本计算机中的产品）有很高的能量密度，但当隔离材料失效时，它就会趋于热失控。制造商在制造新型锂电池时采用的是锂-铁-磷酸盐、锂锰以及钛酸锂等材料，即使刺穿封装也能保持热稳定。它们有棱柱状的外形，像一块银色的小烘饼，其低ESR（等效串联电阻）可支持大电流。它们存储的能量低于笔记本电脑中的锂钴电池芯，但仍然优于镍氢装置，并且，如果细心地管理其充放电水平，它们可以用10年～15年。

　　电荷态

　　现在出现了电池监控系统，它们可监控电池的电荷态，从而决定电池的成本与性能。如果你知道了电池的电荷态，就可以从每个电池芯获得更多能量，使用较少电池芯，并且最大限度延长这些电池芯的寿命。在笔记本电脑中，这一工作是监控电池芯的电压，并统计进出四至八个电池芯的库仑。电压、电流、电荷、温度，以及一些数学值都是电荷态的很好指标。不幸的是，你无法计算一辆汽车的库仑数，因为电池是驱动一台电机，而不是一块主板。电流峰值为200A，而这些尖峰之间就是低电平的空转。

　　另外，你可能要串接96块～200块电池芯，分成10或12组。这些电池芯老化速率不同，来自多个批次，并且会随温度而变化。这些因素意味着它们有不同的容量，而相同库仑数的电池芯也有不同的电荷水平。基于这些原因，汽车的电池监控系统主要关注电池芯的电压。你必须精确地测量每个电池芯的电压，然后用电流和温度测量值来修正ESR读数和容量的变化。你要不断估计每个电池芯的充电水平。如果有些电池芯过冲，有些欠冲，就必须调整各个电池芯的充电水平，如采用泄放（或被动均衡）电荷；另一种方法是重新分配（或主动均衡）电荷。当电池芯达到最小电荷态时，电池能量就用尽了。

图1，一个典型的5Ahr锂离子电池芯在不同放电率下的电荷-电压特性 (a)。
同一种电池芯在不同温度时以5A放电时的电荷-电压特性 (b)。 　　你需要算出测量电压的精度。开始的目标是了解在–20℃~+80℃区间上1%内的电荷态。图1表示一个一般锂离子电池芯的典型电荷-电压特性。不过要记住，对不同制造商和化学技术，这一数据会有相当大的变化。电荷态从30%~70%时，电压大约变化200mV，或每个百分点5mV。0V~5V测量范围要求有0.1%的总测量精度。将该数值转换为数据采集规格，即要求一个有1 LSB（最低有效位）或0.02% INL（积分非线性度）的12bit ADC，再加一个0.05%初始精度和5ppm/℃漂移（即温度变化40℃时漂移0.02%）的电压基准。

图2，用为电机供电的10 kHz变频器模拟带尖峰的电池块输出。

　　数据采集系统还必须能抑制开关噪声和大的共模电压。图2用一个为电机供电的10 kHz变频器，模拟电池块的带尖峰输出。将瞬变平均分配到100只电池芯上意味着顶部电池芯有一个370V的共模电压、100V的共模瞬变、1V的差分瞬变，以及3.7V的直流值。你需要以5mV精度测量3.7V DC值。

图3，可以监控一个典型的36芯电池块，它分为三组，每组12只电池芯。
12芯模块为模拟电路提供了本地电源与地。通过将电池块划分为小组，
模拟电路可以看到小得多的共模电压。

　　多数电池监控系统都是一种使用市售现成元件的模块化配置组合。图3表示如何监控一个有36只电池芯的块，它有三组，每组12只电池芯。12芯模块为模拟电路提供一个本地电源和地。通过将电池块分成小组，模拟电路就可以“看到”一个较小的共模电压。图4给出分立模拟电路的一个例子。LT1991差分放大器抑制共模电压，并缓冲各个电池芯之间的差分电压。差分放大器的输出是以LT1461为基准的电池芯电压。这12个信号连到一个16通道、24 bit ?-∑ LTC2449 ADC的输入复用器。LT1461-2.5提供2.5V的电压基准。当ADC处于睡眠模式时，MOSFET开关阻止从电池芯拉出电流。差分放大器有75dB的CMRR（共模抑制比），差分放大器的增益误差为0.04%，基准电压误差为0.04%，它们共同形成了0.3%的最差情况误差。ADC误差可以忽略不计。在室温下校正系统，可去掉大约90%的误差。

图4，在一个使用分立模拟元件的简化电压测量电路中，
电池芯电压信号连接到一个16通道、24 bit delta-sigma LTC2449 ADC
的输入复用器上。ADC误差可忽略，在室温下校正系统可消除90%的误差。

　　图4只显示了一个简化的电压测量电路。完整的电池监控系统还需要电池芯均衡、数据通信和自检功能，它们会使逻辑图大大地复杂化。大量元器件使得采用市售产品方案既昂贵又不可靠。图5给出了一个类似的模块化电池芯测试设计，用一只IC集成了多数功能。输入复用器可以承受60V的共模电压。采用开关电容采样技术，消除了多数分立设计所面临的CMRR限制。?-∑ ADC基本上是理想的，基准电压是误差预算中的唯一元件。LTC6802无需校正即可实现室温下0.12%精度，在–40°C~+85°C区间上为0.22%。出厂时对室温误差所作的初始校正可将总误差降至0.1%。为得到更高精度，可以增加一个低漂移的外接基准源（图6）。通过定期测量LT1461的输出，并用测量信息调整对电池芯的测量，再加上初始校正，可以在一个–20～+70°C窗口中将误差降低到0.03%，这已是ADC的噪声底限。

图5，这只IC集成了一个简化电池芯测量设计中的大多数功能。

图6，为得到更高的精度，可以增加一个低漂移的外部基准。定期测量LT1461的输出，
并用此信息调节电池芯的测量，再加上初始校正，可在-20℃～+70℃窗口中将误差降低到0.03%，
这是ADC的噪声底限。

　　上述各个测量方案都用-∑ ADC。SAR（逐次逼近寄存器）转换器在12 bit系统中提供更快的采样率，这对100通道的数据采集系统来说似乎是必要的。不过，汽车中严酷的噪声环境需要相当多的滤波。因此，决定有效吞吐量的是滤波，而不是采样率。对于一个确定数量的10 kHz抑制，1k采样/秒的-∑ ADC等效于一个1M采样/秒的SAR ADC（图7）。LTC6802复用器与1k采样/秒的ADC在10ms内顺序通过10个输入。ADC内置的线性相位数字滤波器提供对10kHz开关噪声的36dB抑制。具有一个单端输入滤波器的1M采样/秒SAR转换器需要160 Hz的RC转折频率，才能得到相同的10kHz噪声抑制性能。RC滤波器的12bit整定时间为8.4ms。SAR可以在10μs内顺序通过10个通道，但由于滤波器的响应，每8.4 ms扫描一次以上则是无效的。

图7，对于确定量的10 kHz抑制，一个1k采样/秒的-∑ ADC (a) 等效于一个1M采样/秒的SAR ADC (b)。
决定ADC有效吞吐量的是滤波，而不是采样率 (c)。 　　-∑ ADC与SAR ADC的测量吞吐量相等，但也有一些差别。-∑ ADC有较高的噪声抑制和出色的精度。另外，虽然两个系统在10 kHz有相同的抑制性能，但前者滤波器对较高谐波的抑制能力明显优于简单的RC滤波器。-∑型系统精度更高，因为输入复用器的工作速度要比SAR慢1000倍，消除了串扰、共模抑制，以及整定时间误差。SAR唯一的优点是几乎能同时进行10个测量，而-∑方法则是顺序式测量，软件中有一点计算电池阻抗的开销。

图8，由于每个电池芯是串联的，电池块中电流是单点测量。测量应在一个宽动态量程内双向进行。
在这种典型方案中，LEM DHAB14s84有两个霍尔效应传感器和一只作输出线性化的ASIC，输出与5V电源成正比。

　　要完成电荷态的测定，需要测量温度和电流。温度测量相对简单，因为它变化缓慢，不受电机噪声的污染，并且与高电压电气隔离。唯一的问题是要使用多少温度探头。有些锂离子电池块对每个电池芯用一支温度传感器，因为在柱状电池之间有未知的热梯度。而其它电池块设计则将12只棱柱电池芯作为一组装在一个铝壳内。电池芯之间的低热阻意味着每组用一支或两支温度探头就足够了。最经济的测量方案是重用电池芯电压的ADC（图5）。热敏电阻位于电池芯之间。热敏电阻与100kΩ电阻之间的电压多路传输进入ADC。误差预算包含1%的基准电压绝对值，电阻与热敏电阻1%~5%的公差，热敏电阻B常数的1%~3%变化率（Ω/℃），以及探头与电池内部的温差。未经校正的精度大约为5%。在室温下对初始公差作校正后，就只留下B常数的变动因素。从图1中，温度读数每4%的误差会转换为1%的电荷态估计误差。

　　最后，要测量的量是电流，它有两点重要性。首先，放电速率会影响电池芯容量（图1）。其次，电流随电池芯电压改变的相应变化是电池芯内阻的一种量度。使用你有关电阻的知识来改进对电荷态的测量。电阻也是电池芯预期寿命的一个关键指标。由于各个电池芯都是串联的，电池块中的电流是单点测量。测量应在宽的动态量程内双向进行。图8是一种典型的方法。

　　LEM DHAB14s84内含两只霍尔效应传感器，一只ASIC用于输出的线性化。输出与5V电源成正比。一个通道的量程是±30A，另一个量程为–150A~+350A。两个通道都有约10 bit的分辨率。两个通道相结合，获得30mA~350A的动态量程。电流传感器的输出应作滤波，以与电池芯电压滤波相匹配，并使电流与电压测量同步。

　　电池芯均衡

　　当任何一只电池芯达到其最大或最小允许电荷态时，100只串联电池芯的充放电都必须停止。因此，一个电池块的效果实际上只与最差联接相当。如果在充放电期间,一只弱芯接收到与强芯相等的库仑，则会用掉更多的可用容量，从而使它更弱。保持所有电池芯有相同的容量水平，能帮助它们获得一致的寿命。如果因为一只电池芯过早地用完了充放电周期而要更换全部100个电池芯，那是非常糟糕的事。如果电池监控系统可以修正每只电池芯的充电水平，就可以从电池块获得更多能量和更长的寿命。电池芯均衡是EV和HEV中的关键特性。

　　小容量电池块倾向于采用一种简单的被动均衡技术，以尽量减少成本。该技术在一只电池芯的电荷态超过其邻近电池芯时，会在其上跨接一个分流电阻。被动均衡不会增加充电后的驾驶距离，因为这种技术会耗散（而不是重新分配）能量。不过，被动均衡延长了电池块的寿命，常用于乘用HEV。放电电流范围从10mA~1A，常见的是100mA~200mA。

　　对使用较大容量电池块的EV，采用被动均衡可能产生相当大的热量。EV制造商还担心每次充电的驾驶距离。商用HEV（如大客车和货运车）采用多个大型电池块。针对汽车的开支来说（大客车约为48万美元，而一辆Prius约为2.3万美元），电路的成本压力较低。在这些情况下，更精巧的主动均衡就有意义了。

图9，这个采用电容的方法用一只电容在两个相邻电池芯之间作连续切换。
因此电流的流动就均衡了两只电池芯的电压以及电荷态。主动均衡是电荷在电池芯之间穿梭，
而不会变为浪费的热量。它需要一个用于电荷传送的存储元件。

　　主动均衡意味着电荷在各个电池芯之间来回穿梭，而不是发热浪费掉。这种方案需要一种用于电荷传输的存储元件。工程师们推出各种方案并申请专利，包括采用电容、电感或变压器（参考文献1与图9）。电容在两个相邻电池芯之间连续切换。电流流动以均衡电压，从而均衡了两个电池芯的电荷态。通过采用一组开关和电容，所有电池芯的电压都趋于一致。它的缺点是需要大量的低阻开关，以及要产生控制开关的信号。一个优点是不需要软件。只要开关时钟有效，电路就在后台对电池芯作连续的均衡。采用变压器的方案是在单只电池芯和一组电池芯之间传输电荷（参考文献2与图10）。该方案需要用电荷态信息来选择电池芯，作六芯一组的充放电。

图10，在另一种主动均衡方法中，一支变压器在单电池芯与一组电池芯之间传送电荷。
电荷态信息用于选择电池芯，对六芯电池组充放电。

　　模拟简化与数字复杂化

　　将一个100芯的电池块划分为模块，就更容易集成模拟电路。不幸的是，采用这种方案要做一个工作，即在地电势之差超过300V时，要获得测量IC送给主控制器的数据。最直接的方案是在每个模块和主控制器之间使用一个数字隔离器（参考文献3）。不过，数字隔离器价格高，并需要一个隔离电源，这样电池芯就不需要为电池芯侧的隔离器提供电源。

图11，LTC6802集成了一个能构成菊花链的SPI，无需数字隔离。

　　LTC6802集成了一个可做菊花链的SPI，该方案无需使用数字隔离器（图11）。接口利用了一个事实，即模块N的正电源与模块N+1地的电压相同。它使用电流在相邻模块之间传输数据。由于是模拟电路，模块化方案意味着数据总线必须要承受一部分的电池块总电压。任何菊花链都有一个缺点，即一个模块的失效意味着失去了与所在堆叠中其上所有模块的通信。另外，由于模块之间不存在电流隔离，因此接口必须承受故障情况下的高电压。LTC6802接口用外接分立二极管阻隔故障情况下的反向电压。

　　使监控器更强健

　　无论汽车制造商的产品使用何种能源，都必须满足极高的可靠性标准。电池块的装配和电池块的故障检测要求都对电池监控系统提出了挑战。电池芯通过一个线束连接到电池块的监控与均衡电路上。在电池块的装配期间，线束会以一种随机的次序与电池芯接触。电路需要有保护二极管和保护电阻，以保证能在大电压、低阻抗电池芯堆热插拔下的生存。图12显示了一个在线束与LTC6802监控IC之间元器件的实例（参考文献4）。元件Q1、R1和R2提供被动电池芯均衡。LTC6802的S(N)输出控制这些元件。元件R3和C1为LTC6801 ADC构成一个抗混滤波器。二极管D1、D2与电阻R4提供保护。D1是一个标准的6.2V、500mW齐纳二极管，它会在电池芯连接过程中触点接合时，自动地将安全电压分配给未接合的输入端。齐纳二极管的6.2V额定电压足以尽量减小来自电池的泄漏电流，但也足够小以保护IC。D2保护均衡MOSFET Q1的栅极。R4用于当D2被强制导通时保护S(N)输出。

图12，LTC6802中的PIN作电池芯均衡。

　　在正常工作期间，电池监控系统必须满足不会把坏电池芯读数错误解释为好电池芯的要求。造成误读的两种常见故障是开路和IC失效。如果在线束中有开路，以及如果在ADC输入有一个滤波器电容，则电容会将输入电压保持在相邻电池芯的一个中间点上。某种类型的线束开路检查或电池芯电阻测量功能是必要的。一种方法是临时起用被动均衡电路。如果电池芯连接开路，则测得的电压将为0V。有一种类似的技术是偶尔用监控电路的直流电流加载到电池芯，看电池芯电压读数是否有变化。LTC6802有针对这种用途的可选直流电流负载（图13）。

图13，要确保不会将坏电池芯读数误认为一个好的电池芯，就需要某种类型的线束开路检测，
如临时起用无源均衡电路。如果电池芯连接开路，则测得的电压为零。

　　电池块另一个常见的担忧是IC有未检测出的故障。主控制器必须能在正常工作期间，对所有模块作诊断。如果这种周期性自检失败，则控制算法就不可信，必须将电池块断线。例如，如果ADC中的电压基准改变了数值，则读数无效。保证电压测量精度的唯一方式是定期测量第二个独立的基准（图6）。另一个例子是ADC数字部分有一个固定故障。必须有足够的支持电路或内置测试模式，以确保ADC在其整个输入量程内都能工作。

　　为了限制电池块断线的可能性，大多数电池监控电路都有强大的自检，以及冗余的测量硬件。如果主监控电路无法完成一次定期自检，则冗余电路会给用户设备一次保持有效的机会，直到技术人员修复问题。冗余等级是一个引起了电池监控系统设计者与车辆供应商重点关注的话题。

　　可以预期，锂离子与锂聚合物工业电池会在能量密度、功率密度和循环寿命方面不断地进步，改进汽车的性能。电池管理系统将与IC开发同步发展，以更低的系统成本，提供更高的集成度和更高的精度。

参考文献
1. Pascual, C, and P Krein, “Switched Capacitor System for Automatic Series Battery Equalization,” Proceedings of the IEEE Applied Power Electronics Conference, 1997.
2. Robler, Werner, “Boost battery performance with active charge-balancing,” EE Times Asia, July 16-31, 2008, pg 1.
3. Douglass, Jim, “Battery management architectures for HEVs,” Electronic Products, December 2008.
4. Munson, Jon, “Reliable Li-Ion Battery Monitoring System for Hybrid/Electric Vehicles,” Automotive Electronics.