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電池堆棧監控器方案延長電動汽車鋰電池壽命

2020年02月23日 14:59 ? 次閱讀

摘要

鋰離子(Li-Ion)電池是電動汽車和混合動力汽車的常用儲能方法。這些電池可提供的能量密度在所有現有電池技術中是非常高的,但是如果要最大限度地提升性能,必須使用電池監控系統(BMS)。先進的BMS不僅使您能夠從電池組中提取大量的電荷,而且還可以以更安全的方式管理充電和放電循環,從而延長使用壽命。ADI公司提供種類齊全的BMS器件組合,專注于精度和穩健的運行。

精確測量電池的充電狀態(SOC)可以延長電池運行時間或減輕重量。精密穩定的器件在PCB裝配后無需工廠校準。長期穩定性提高了安全性并可避免保修問題。自我診斷功能有助于達到合適的汽車安全完整性等級(ASIL)。電池組是充滿電磁干擾(EMI)挑戰的環境,因此在設計數據通信鏈路時要進行特別處理,以確保測量芯片與系統控制器之間穩健可靠的通信。電纜連接器是造成電池系統故障的主要原因,因此本文介紹了無線解決方案。無線通信設計提高了可靠性并減輕了系統總重量,進而增加了每次充電的行駛里程。

簡介

儲能單元必須能夠提供大容量,并且能以可控方式釋放能量。如果不能進行適當的控制,能量的存儲和釋放會導致電池災難性故障,并最終引起火災。電池可能會由于多種原因而發生故障,其中大多數與不當使用有關。故障可能來自機械應力或損壞,以及以深度放電、過度充電、過電流和熱過應力等形式表現出的電氣過載。為了盡可能提高效率和安全性,電池監控系統必不可少。

BMS的主要功能是通過監控以下物理量使電池組中所有單節電池保持在其安全工作區域(SOA)中:電池組充電和放電電流、單節電池電壓以及電池組溫度。基于這些數值,不僅可以使電池安全運行,而且可以進行SOC和健康狀態(SOH)計算。

BMS提供的另一個重要功能是電池平衡。在電池組中,可以將單節電池并聯或串聯放置,以達到所需的容量和工作電壓(高達1 kV或更高)。電池制造商試圖為電池組提供相同的電池,但這在物理上并不現實。即使很小的差異也會導致不同的充電或放電電平,而電池組中最弱的電池會嚴重影響電池組的整體性能。精確的電池平衡是BMS的一項重要功能,它可確保電池系統以其最大容量安全運行。

BMS架構

電動汽車電池由幾節電池串聯組成。一個典型的電池組(具有96節串聯電池)以4.2 V充電時會產生超過400 V的總電壓。電池組中的電池節數越多,所達到的電壓就越高。所有電池的充電和放電電流都相同,但是必須對每節電池上的電壓進行監控。為了容納高功率汽車系統所需的大量電池,通常將多節電池分成幾個模塊,并分置于車輛的整個可用空間內。典型模塊擁有10到24節電池,可以采用不同配置進行裝配以適合多個車輛平臺。模塊化設計可作為大型電池組的基礎。它允許將電池組分置于更大的區域,從而更有效地利用空間。

ADI公司開發了一系列電池監控器,能夠測量多達18節串聯連接的電池。AD7284可以測量8節電池,LTC6811可以測量12節電池,LTC6813則可以測量18節電池。圖1顯示了一個典型的具有96節電池的電池組,分為8個模塊,每個模塊12個電池單元。在本示例中,電池監控器IC為可測量12節電池的LTC6811。該IC具有0 V至5 V的電池測量范圍,適合大多數電池化學應用。可將多個器件串聯,以便同時監測很長的高壓電池組。該器件包括每節電池的被動平衡。數據在隔離柵兩邊進行交換并由系統控制器編譯,該控制器負責計算SOC、控制電池平衡、檢查SOH,并使整個系統保持在安全限制內。

圖1.采用LTC6811 12通道測量IC、具有96節電池的電池組架構。

為了在電動汽車/混合動力汽車的高EMI環境中支持分布式模塊化拓撲,穩鍵的通信系統必不可少。隔離CAN總線和ADI的isoSPI?都提供了經過驗證的解決方案,適合在這種環境中進行模塊互聯。1盡管CAN總線為在汽車應用中互聯電池模塊提供了完善的網絡,但它需要許多附加元件。例如,通過LTC6811的isoSPI接口實現隔離CAN總線需要增加一個CAN收發器、一個微處理器和一個隔離器。CAN總線的主要缺點是這些額外元件會增加成本和電路板空間。圖2顯示了基于CAN的一種可行架構。在這個示例中,所有模塊都并聯連接。

ADI創新的雙線式isoSPI接口是CAN總線接口的替代方法。1isoSPI接口集成在每個LTC6811中,使用一個簡單的變壓器和一根簡單的雙絞線,而非CAN總線所需的四線。isoSPI接口提供了一個抗噪接口(用于高電平RF信號),利用該接口可以將模塊通過長電纜以菊花鏈形式連接,并以高達1 Mbps的數據速率運行。圖3顯示了基于isoSPI并使用CAN模塊作為網關的架構。

圖2和圖3所示的兩種架構各有利弊。CAN模塊是標準化模塊,可以與其他CAN子系統共享同一總線運行;isoSPI接口是專有接口,只能與相同類型的器件進行通信。另一方面,isoSPI模塊不需要額外的收發器和MCU來處理軟件堆棧,從而使解決方案更緊湊、更易于使用。兩種架構都需要有線連接,這在現代BMS中具有明顯的缺點,因為在布線中,導線走線至不同的模塊會成為一個棘手的問題,同時又增加了重量和復雜性。導線也很容易吸收噪聲,從而需要進行額外的濾波。

無線BMS

無線BMS是一種新穎的架構,它消除了通信布線。1在無線BMS中,每個模塊的互聯都通過無線連接方式實現。大型多節電池的電池組無線連接的優勢是:

連線復雜度更低

重量更輕

Lower cost

成本更低

安全性和可靠性更高

由于惡劣的EMI環境以及RF屏蔽金屬構成的信號傳播障礙,無線通信成為一個難題。

ADI的SmartMesh?嵌入式無線網絡在工業物聯網(IoT)應用中經過了現場驗證,可通過運用路徑和頻率分集來實現冗余,從而在工業、汽車和其他惡劣環境中提供可靠性超過99.999%的連接。

除了通過創建多個冗余連接點來改善可靠性之外,無線Mesh網絡還擴展了BMS的功能。SmartMesh無線網絡可實現電池模塊的靈活放置,并改善了電池SOC和SOH的計算。這是因為可以從安裝在以前不適合布線之處的傳感器收集更多的數據。SmartMesh還提供了來自每個節點的時間相關測量結果,從而可以實現更加精確的數據收集。圖4顯示了有線互聯和無線互聯電池模塊的比較。

ADI演示了業界首款無線汽車BMS概念車,在BMW i3.2車型中整合了LTC6811電池組監控器和ADI SmartMesh網絡技術。這是一項重大突破,有望提高電動汽車/混合動力汽車大型多節電池組的可靠性,并降低成本、重量和布線復雜性。

圖2.獨立的CAN模塊并聯。

圖3.采用CAN網關的模塊串聯。

精確測量的重要性

精度是BMS的一個重要特性,對于LiFePO4電池至關重要。3,4為了了解該特性的重要性,我們考慮圖5中的示例。為了防止過度充電和放電,電池單元應保持在滿容量的10%到90%之間。在85 kWh的電池中,可用于正常行駛的容量僅為67.4 kWh。如果測量誤差為5%,為了繼續安全地進行電池運行,必須將電池容量保持在15%至85%之間。總可用容量已從80%減少到了70%。如果將精度提高到1%(對于LiFePO4電池,1 mV的測量誤差相當于1%的SOC誤差),那么電池現在可以在滿容量的11%到89%之間運行,增加了8%。使用相同的電池和精度更高的BMS,可以增加每次充電的汽車行駛里程。

電路設計人員根據數據手冊中的規格來估算電池測量電路的精度。其他現實世界的效應通常會在測量誤差中占主導地位。影響測量精度的因素包括:

初始容差

溫度漂移

長期漂移

濕度

PCB裝配應力

噪音抑制

圖4.電池監控互聯方式比較。

圖5.電池充電限制。

完善的技術必須考慮所有這些因素,才能提供非常出色的性能。IC的測量精度主要受基準電壓的限制。基準電壓對機械應力很敏感。PCB焊接期間的熱循環會產生硅應力。濕度是產生硅應力的另一個原因,因為封裝會吸收水分。硅應力會隨著時間的推移而松弛,從而導致基準電壓的長期漂移。

電池測量IC使用帶隙基準電壓或齊納基準電壓。IC設計人員使用反向擊穿時的NPN發射極-基極結作為齊納二極管基準電壓源。擊穿發生在芯片表面,因為污染物和氧化層電荷在此處效應最為明顯。這些結噪聲高,存在不可預測的短期和長期漂移。埋入式齊納二極管將結放置在硅表面下方,遠離污染物和氧化層的影響。其結果是齊納二極管具有出色的長期穩定性、低噪聲和相對精確的初始容差。因此,齊納二極管基準電壓源在減輕隨時間變化的現實世界的效應方面表現出眾。

LTC68xx系列使用了實驗室級的齊納二極管基準電壓源,這是ADI經過30多年不斷完善的技術。圖6顯示了五個典型單元的電池測量IC誤差隨溫度的漂移。在整個汽車級溫度范圍-40°C至+125°C內,漂移都小于1 mV。

圖7對比了帶隙基準電壓源IC和埋入式齊納二極管基準電壓源IC的長期漂移。初始測量值的誤差校準為0 mV。通過在30°C下3000小時之后的漂移來預測十年的測量漂移。該圖片清楚地顯示了隨著時間的推移,齊納二極管基準電壓源具有更出色的穩定性,至少比帶隙基準電壓源提高5倍。類似的濕度和PCB裝配應力測試表明,埋入式齊納二極管的性能比帶隙基準電壓源更勝一籌。

圖6.LTC6811測量誤差與溫度的關系。

圖7.埋入式齊納二極管和帶隙基準電壓源之間的長期漂移比較。

圖8.ADC濾波器的可編程范圍和頻率響應。

精度的另一個限制因素是噪聲。由于電動汽車/混合動力汽車中的電機、功率逆變器、DC-DC轉換器和其他大電流開關系統會產生電磁干擾,因此汽車電池是面向電子器件非常惡劣的環境。BMS需要能夠提供高水平的噪聲抑制,才能保持精度。濾波是用來減少無用噪聲的經典方法,但它需要在降低噪聲與轉換速度之間進行權衡。由于需要轉換和傳輸的電池電壓很高,因此轉換時間不能太長。SAR轉換器或許是理想選擇,但在多路復用系統中,速度受到多路復用信號的建立時間限制。此時,Σ-Δ轉換器則成為有效的替代方案。

ADI的測量IC采用了Σ-Δ模數轉換器(ADC)。通過Σ-Δ ADC,可在轉換過程中輸入進行多次采樣,然后取其平均值。結果構成內置低通濾波,從而可消除作為測量誤差源的噪聲;截止頻率由采樣速率確定。LTC6811采用了一個三階Σ-ΔADC,具有可編程采樣速率和八個可選截止頻率。圖8顯示了八個可編程截止頻率的濾波器響應。通過對所有12節電池在290 μs的時間內快速完成測量,可實現出色的降噪效果。大電流注入測試將100 mA的RF噪聲耦合到連接電池與IC的導線中,該測試顯示測量誤差小于3 mV。

電池平衡以優化電池容量

即使能精確地制造和選擇電池,它們之間也會顯示出細微的差異。電池之間任何的容量不匹配都會導致電池組整體容量的減少。

為了更好地理解這一點,我們來考慮一個示例,其中各節電池保持在滿容量的10%到90%之間。深度放電或過度充電會大大縮短電池的有效使用壽命。因此,BMS提供欠壓保護(UVP)和過壓保護(OVP)電路,以幫助防止出現這些情況。當容量最低的電池達到OVP閾值時,將停止充電過程。在這種情況下,其他電池尚未充滿電,并且電池儲能沒有達到最大允許的容量。同樣,當最低充電量的電池達到UVP限值時,系統停止工作。另外,電池組中仍然有能量可為系統供電,但是出于安全原因,不能繼續使用電池組。

顯然,電池組中最弱的電池支配著整個電池組的性能。電池平衡是一種通過在電池充滿電時均衡電池之間的電壓和SOC來幫助克服此問題的技術。5電池平衡技術有兩種:被動和主動。

使用被動平衡時,如果一節電池過度充電,就會將多余的電荷耗散到電阻中。通常,采用一個分流電路,該電路由電阻和用作開關的功率MOSFET組成。當電池過度充電時,MOSFET關斷,將多余的能量耗散到電阻中。LTC6811使用一個內置MOSFET來控制各節電池的充電電流,從而平衡被監視的每節電池。內置MOSFET可使設計緊湊,并能夠滿足60 mA的電流要求。對于更高的充電電流,可以使用外部MOSFET。該器件還提供了定時器來調整平衡時間。

耗散技術的優點是低成本和低復雜度。缺點是能量損耗大并且熱設計更復雜。而另一方面,主動平衡會在模塊的其他電池之間重新分配多余的能量。這樣,可以回收能量并且產生的熱量更低。這種技術的缺點是硬件設計更復雜。

圖9.采用主動平衡的12節電池的電池組模塊。

圖9顯示了采用LT8584實現的主動平衡。該架構通過主動分流充電電流,并將能量返回電池組來解決被動分流平衡器存在的問題。能量并沒有以熱量的形式發生損耗,而是被重新利用,為電池組中的其余電池充電。該器件的架構還解決了一個問題,即當電池組中的一節或多節電池在整個電池組容量用盡之前就達到較低安全電壓閾值時,會造成運行時間減少。只有主動平衡才能將電荷從強電池重新分配到弱電池。這樣可以使弱電池繼續為負載供電,從而可從電池組中提取更高百分比的能量。反激式拓撲結構允許電荷在電池組內任意兩點之間往返。大多數應用將電荷返回到電池模塊(12節或更多),其他一些應用則將電荷返回到整個電池組,還有些應用將電荷返回到輔助電源軌。

結論

低排放車輛的關鍵是電氣化,但還需要對能源(鋰離子電池)進行智能管理。如果管理不當,電池組可能會變得不可靠,從而大大降低汽車的安全性。高精度有助于提高電池的性能和使用壽命。主動和被動電池平衡可實現安全高效的電池管理。分布式電池模塊易于支持,并且將數據穩定地傳遞到BMS控制器(無論是有線方式還是無線方式)能夠實現可靠的SOC和SOH計算。

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冬天是一個比較冷的季節,很多人都穿的非常厚,為的就是能夠保暖。而在汽車市場上,其實也有同樣的憂愁,汽....
發表于 2020-01-17 17:09? 1410次閱讀
新能源汽車潛力無限,甲醇制氫新突破

豐田汽車生產計劃方案批準,于2023年前在泰國啟...

據國外媒體報道,豐田汽車計劃于2023年1月之前在泰國啟動純電動汽車(EV)和插電式混合動力車(PH....
發表于 2020-01-17 16:43? 1456次閱讀
豐田汽車生產計劃方案批準,于2023年前在泰國啟...

電動汽車充電安全的保障措施

充電樁的功能類似于加油站的加油機,在電動汽車使用中扮演著重要角色。
發表于 2020-01-17 16:40? 1210次閱讀
電動汽車充電安全的保障措施

直流充電樁和交流充電樁給電動汽車充電有什么不同?

近幾年來,新能源汽車發展越來越快,而限制新能源電動汽車發展的主要因素是續航里程和充電問題。
發表于 2020-01-17 16:35? 1590次閱讀
直流充電樁和交流充電樁給電動汽車充電有什么不同?

FCA將與富士康建合資企業生產電動汽車

鴻海精密集團1月16日宣布,意大利-美國汽車制造商菲亞特克萊斯勒(FCA)以及iPhone制造商富士....
發表于 2020-01-17 16:27? 1328次閱讀
FCA將與富士康建合資企業生產電動汽車

豐田欲在泰國啟動純電動汽車生產計劃

據國外媒體報道,豐田汽車計劃于2023年1月之前在泰國啟動純電動汽車(EV)和插電式混合動力車(PH....
發表于 2020-01-17 16:10? 917次閱讀
豐田欲在泰國啟動純電動汽車生產計劃

星恒電源與印度Pinnacle達成戰略合作 合資...

2020年1月16日,星恒電源與印度Pinnacle 實業有限公司在印度馬哈拉施特拉邦達成戰略合作,....
發表于 2020-01-17 15:28? 327次閱讀
星恒電源與印度Pinnacle達成戰略合作 合資...

曝FCA擬與富士康成立合資企業 將合作研發并生產...

據外媒報道,菲亞特克萊斯勒汽車集團(FCA)正計劃與中國臺灣高新科技企業富士康集團成立合資企業,合作....
發表于 2020-01-17 15:07? 897次閱讀
曝FCA擬與富士康成立合資企業 將合作研發并生產...

特斯拉去年四季度汽車安全報告,事故發生與其他車輛...

據國外媒體報道,電動汽車制造商特斯拉發布了2019年第四季度《汽車安全報告》。該報告指出,去年第四季....
發表于 2020-01-17 14:41? 766次閱讀
特斯拉去年四季度汽車安全報告,事故發生與其他車輛...

世界上最強大的電動汽車充電器亮相 充電10分鐘可...

1 月 17 日訊,近日,澳大利亞電動汽車快速充電技術 Tritium(氚)在日本汽車世界(Auto....
發表于 2020-01-17 14:09? 311次閱讀
世界上最強大的電動汽車充電器亮相 充電10分鐘可...

富士康聯手菲亞特克萊斯勒汽車公司 意圖占據電池動...

1 月 17 日訊,據最新的監管申報文件顯示,菲亞特克萊斯勒汽車公司計劃與代工巨頭富士康合作開發電動....
發表于 2020-01-17 11:35? 150次閱讀
富士康聯手菲亞特克萊斯勒汽車公司 意圖占據電池動...

悍馬電動皮卡將與特斯拉Cybertruck共爭市...

據悉,通用汽車似乎即將宣布,他們將重新啟用悍馬銘牌,并作為一款純電動皮卡。
發表于 2020-01-17 10:05? 550次閱讀
悍馬電動皮卡將與特斯拉Cybertruck共爭市...

后電動汽車時代,其市場風口在何方

中國電動汽車發展10年來,經歷了各種曲折和風波,續航虛標、騙補、自燃等負面消息不斷。
發表于 2020-01-17 09:56? 296次閱讀
后電動汽車時代,其市場風口在何方

電動汽車電池管理系統能否監測到每一顆電芯狀態

動力電池是電動汽車里面最為重要的部件,也是電動汽車和傳統燃油車區別最大的部分。從市場數據來看,電動汽....
發表于 2020-01-17 09:43? 211次閱讀
電動汽車電池管理系統能否監測到每一顆電芯狀態

電動汽車的全新發展時刻風口在哪里?

中國電動汽車發展10年來,經歷了各種曲折和風波,續航虛標、騙補、自燃等負面消息不斷。到如今,隨著技術....
發表于 2020-01-16 11:49? 694次閱讀
電動汽車的全新發展時刻風口在哪里?

Lightyear One太陽能電動汽車能讓消費...

1月14日,外媒Electrek發布了一篇Lightyear One的體驗文章。文章中稱,該車可以用....
發表于 2020-01-16 11:45? 668次閱讀
Lightyear One太陽能電動汽車能讓消費...

特斯拉股價連創新高 主要歸功于四項利好消息

很多人可能會問,是什么促使特斯拉股價飆升?除了其首席執行官埃隆·馬斯克(Elon Musk)比其他汽....
發表于 2020-01-16 11:09? 189次閱讀
特斯拉股價連創新高 主要歸功于四項利好消息

中國將要從美國進口更多儲能系統和零件,特斯拉受益

據BloombergNEF的數據顯示,特斯拉在美國內華達州的超級工廠是迄今為止美國最大的電池工廠,占....
發表于 2020-01-16 09:36? 1057次閱讀
中國將要從美國進口更多儲能系統和零件,特斯拉受益

比亞迪刀片電池怎么樣呢?

近日,王傳福在電動汽車百人會上提到,比亞迪開發的“刀片電池”是新一代磷酸鐵鋰電池,將于今年首次量產。
發表于 2020-01-15 17:12? 1841次閱讀
比亞迪刀片電池怎么樣呢?

前輩,現有條件是輸出電壓為3.6V,100~300mA的電路,如何給單節鋰電池18650充電?有沒有充電管理IC推薦?

前輩,想搭建一個充電電路,現有條件是輸出電壓為3.6V,100~300mA的電路,如何給單節鋰電池18650充電?有沒有充電管理...
發表于 2019-12-23 21:54? 513次閱讀
前輩,現有條件是輸出電壓為3.6V,100~300mA的電路,如何給單節鋰電池18650充電?有沒有充電管理IC推薦?

一個小體積便捷式、鋰電池可充電式AD637真有效值轉換器構思、設計、實施(并展示已完成部分)

  AD637真有效(均方根)轉換芯片, 能將 0-8MHZ交流信號轉為直流輸出。關于這個芯片的介紹和論述很多...
發表于 2019-12-20 08:02? 1163次閱讀
一個小體積便捷式、鋰電池可充電式AD637真有效值轉換器構思、設計、實施(并展示已完成部分)

3.7V鋰電池升壓到12V/2A

推薦采用ESOP-8帶輸出關斷的13V、10A同步升壓IC-HT7166,簡介如下: HT7166是一款高功率、全集成升壓轉換...
發表于 2019-12-16 21:00? 870次閱讀
3.7V鋰電池升壓到12V/2A

使用MOS管做電流隔離

charge+輸入5V, 1A, 用MOS(AO3400)管起隔離作用(寄生二極管),再接一個鋰電池保護芯片和鋰電池,鋰電池電...
發表于 2019-12-15 13:32? 423次閱讀
使用MOS管做電流隔離

單節鋰電池電量指示芯片

YJ60A  是一款單節鋰電池電量指示芯片,可實現四個電壓點的檢測,檢測精度高。 ...
發表于 2019-12-07 20:56? 1177次閱讀
單節鋰電池電量指示芯片

關于S-8261ABJMD-G3JT2G 掉電鎖電池輸出問題

在使用關于S-8261ABJMD-G3JT2G 的過程中發現如下問題請問是否正常,或如何解決: 電路是1節鋰離子電池充...
發表于 2019-12-03 13:11? 610次閱讀
關于S-8261ABJMD-G3JT2G 掉電鎖電池輸出問題

FS7022替代完全PL7022雙節鋰電池保護電路IC-芯片解決方案

發表于 2019-11-30 15:21? 312次閱讀
FS7022替代完全PL7022雙節鋰電池保護電路IC-芯片解決方案

電池亞馬遜UN38.3報告獨家代理有CNAS與CMA

今天跟大家一起了解一下關于鋰電池亞馬遜認證——UN38.3認證。 近日,各亞馬遜電商陸續收到了通知,要求自2020年...
發表于 2019-11-25 21:19? 1110次閱讀
電池亞馬遜UN38.3報告獨家代理有CNAS與CMA

便攜音箱鋰電池有什么用途?

1、內置鋰電池,可連續播放4小時以上; 2、連接方便,音箱與電腦僅一條電源線連接; 3、外型纖小,適合隨身攜帶,隨...
發表于 2019-11-06 09:12? 242次閱讀
便攜音箱鋰電池有什么用途?

請問藍牙充電選型什么方案成本最低?

用CC2541做一款藍牙產品,選用了BQ24040作為鋰電池充電管理芯片,后級選用了TPS62740作為電源轉換,感覺成本有...
發表于 2019-11-05 09:55? 151次閱讀
請問藍牙充電選型什么方案成本最低?
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