混合动力电动汽车的电池办理架构研讨剖析

　　一个电池规则的容量是指电池从100%充电状况到零充电状况所能供给的电量。充电到100%充电状况或放电到零充电状况会敏捷缩短电池寿数，因而应该细心办理电池以避免彻底充电或彻底放电状况。与作业在30%~70%的充电状况之间(运用40%的容量)比较，作业在10%充电状况到90%充电状况之间(运用80%的规则容量)能够将电池的充电循环总次数削减到本来的1/3或更低。

　　在有用电池容量和电池寿数之间进行平衡给电池体系规划工程师带来了应战。考虑前文说到的运用40%容量与运用80%容量的状况。假如体系将电池为约束为仅运用其40%容量，以便使电池寿数延长到本来的3倍，那么电池尺度有必要增大1倍以获得与运用80%容量状况下相同多的可用容量。但这会使电池体系的分量和体积增大1倍，然后进步本钱并下降功率。

　　轿车制作商一般要求电池寿数超越10年，且对必需的可用电池容量做了规则。电池体系规划工程师面对的应战是有必要竭尽所能用最小的电池组完成最大的容量。为到达这个方针，电池体系有必要选用精细的电子电路细心操控和监督电池。

　　电动轿车电池组体系

　　电动轿车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有96个电池，充电到4.2V的锂离子电池而言，这样的电池组可发作超越400V的总电压。虽然轿车电源体系将电池组看作单个高压电池，每次都对整个电池组进行充电和放电，但电池操控体系有必要独立考虑每个电池的状况。假如电池组中的一个电池容量略微低于其他电池，那么经过多个充电/放电周期后，其充电状况将逐步违背其它电池。假如这个电池的充电状况没有周期性地与其它电池平衡，那么它终究将进入深度放电状况，然后导致损坏，并终究构成电池组毛病。为避免这种状况发作，每个电池的电压都有必要监督，以确认充电状况。此外，有必要有一个设备让电池独自充电或放电，以平衡这些电池的充电状况。

图1：并行独立CAN模块。

　　电池组监督体系的一个重要考虑要素是通讯接口。就PC板内的通讯而言，常用的选项包括串行外设接口(SPI)总线、I2C总线，每种总线的通讯开支都很低，适用于低搅扰环境。另一个选项是操控器局域网(CAN)总线，这种总线在轿车运用中被广泛运用。CAN总线十分鲁棒，具有差错检测和毛病容限特性，可是它的通讯开支很大，资料本钱也很高。虽然从电池体系到轿车主CAN总线的衔接是值得要的，但在电池组内选用SPI或I2C通讯是有优势的。

图2：具CAN网关的并行模块。

　　凌力尔特公司(Linear)现已推出一款使电池体系规划工程师能够满意这些严苛要求的器材。LTC6802是一个电池组监督器IC，能丈量多达12个叠置电池的电压。LTC6802还有内部开关，使电池能够独自放电，以便它们能与电池组中的其它电池进入平衡状况。

　　为阐明电池组架构，考虑一个具有96个锂离子电池的体系。这将需求8个LTC6802来监督整个电池组，其间每个器材作业在不同的电压。当选用4.2V锂离子电池时，底端监督器材将跨接在12个电池上,电位调理规模为0~50.4V，下一组电池的电压规模为50.4V到100.8V，顺着电池组依此类推。这些器材之间在不同的电压上进行通讯带来了难以克服的应战。人们现已考虑过多种办法，但因为轿车制作商优先考虑的要点不同，每种办法都有长处和缺陷。

表：电池监督架构比较。

　　电池监督要求

　　在电池监督体系架构之间作挑选时，至少有5个需求平衡的首要要求。它们的相对重要性取决于终究客户的需求和期望。

　　1. 精确性。为了运用或许的最大电池容量，电池监督器需求精确。不过，轿车是一种噪声体系，在很大的频率规模内存在电磁搅扰。任何的精确性下降都会对电池组寿数和功用构成有害影响。

　　2. 牢靠性。不论选用何种电源，轿车制作商有必要满意极高的牢靠性规范。此外，高能量容量以及有些电池技能潜在的不稳定赋性是人们忧虑的首要安全问题。相对于严峻的电池毛病，在保存性条件下履行关断操作的毛病安全体系愈加可取，虽然它有或许使乘客不幸停留。因而，有必要细心监督和操控电池体系，以在体系中保证对整个电池寿数期的全面操控。为最大极限削减假的和真的毛病，一个杰出规划的电池组体系有必要有鲁棒的通讯，最大极限削减毛病形式以及毛病检测。

    3. 可制作性。现代的轿车已包括很多选用杂乱布线线束的电子产品。就轿车制作而言，添加杂乱的电子电路和配线以支撑电动轿车/混合动力电动轿车电池体系会使杂乱性更高。总的组件和衔接数量有必要尽量地少以满意 严厉的尺度和分量约束，并保证大批量出产是切实可行的。

　　4. 本钱。杂乱的电子操控体系或许很贵重，最大极限削减如微操控器、接口操控器、电流阻隔器和晶振等本钱相对昂扬的元件数量可大大下降体系的总本钱。

　　5. 功率。电池监督器自身也是电池的负载，其较低的作业电流可进步体系功率，较低的备用电流可在轿车熄火后避免电池过度放电。

　　电池监督架构

　　图1至图4给出了4种电池监督体系架构。假定一个由96个电池组成的体系以12个电池为一组分红8组，表中对这种状况下的每种架构的长处和缺陷进行了总结。在每种状况下，一个LTC6802监督一个由12个电池组成的电池组。每种架构都规划为一个自主的电池监督体系，都供给到轿车主CAN总线的CAN总线接口，且与轿车的其余部分是电流阻隔的。

　　1．并行独立CAN模块(如图1)

　　每个由12个电池组成的模块都含有一个电路板，板上有LTC6802、微操控器、CAN接口和电流阻隔变压器。体系所需的很多电池监督数据会使轿车的主 CAN总线溃散，因而这些CAN模块需求在局域CAN子网上。CAN子网由主操控器和谐，该操控器还供给至轿车主CAN总线的网关。

　　2．具CAN网关的并行模块(如图2)

　　每个由12个电池组成的模块都含有一个电路板，板上有LTC6802和数字阻隔器。这些模块与操控器电路板有独立的接口衔接，操控器电路板上含有微操控器、CAN接口和电流阻隔变压器。微操控器和谐这些模块并供给到轿车主CAN总线的网关。

　　3．具CAN网关的单个监督模块(图3)

　　在这种装备中，由12个电池组成的模块内部没有监督和操控电路，而是在单个电路板上有8个LTC6802监督器IC，每个IC都衔接到其电池模块。 LTC6802器材经过非阻隔SPI兼容串行接口通讯。单个微操控器经过SPI兼容串行接口操控悉数电池组监督器，并充当到轿车主CAN总线的网关。这些再加上CAN收发器和电流阻隔变压器就构成了完好的电池监督体系。

图3：具CAN网关的单个监督模块。

　　4．具CAN网关的串行模块(图4)

　　这种架构类似于单个监督模块，除了每个LTC6802都在由12个电池组成的模块内部的电路板上。这8个模块经过LTC6802非阻隔SPI兼容串行接口通讯，这需求在电池模块对之间衔接3或4个传导电缆。单个微操控器经过底部监督器IC操控悉数电池组监督器，一起兼作到轿车主CAN总线的网关。这儿依然需求CAN收发器和电流阻隔变压器以构成完好的电池监督体系。

图4：具CAN网关的串行模块

　　电池监督架构挑选

　　因为并行接口需求很多衔接和外部阻隔，第1种和第2种架构一般易发作问题。为应对杂乱性进步的问题，规划工程师需求完成到每个监督器器材的独立通讯。第3 种和第4种架构都是约束最少的简化办法。LTC6802可满意所有这4种装备的需求，体系规划工程师能够挑选LTC6802的两个版别，一个用于串行装备，一个用于并行装备。

　　LTC6802-1用于叠置式SPI接口装备。多个LTC6802-1器材能够经过一个接口串行衔接，该接口无需外部电平移位器或阻隔器就可沿着电池组来回发送数据。LTC6802-2答应单个器材用在并行架构中。这两个版别器材具有相同的电池监督标准和功用。

　　电动轿车对电池组有很多需求。轿车制作商期望具经济效益的电池体系，以满意他们严厉的牢靠性要求。凌力尔特公司最新的电池监督器IC给体系规划工程师在功用不打扣头的状况下挑选最佳电池组架构带来很大的灵活性。