大幅提高电动汽车电池性能的电池监控器

大幅提高电动汽车电池性能的电池监控器

锂离子（Li-Ion）电池是电动汽车常用的储能方法，这些电池可提供的能量密度在所有现有电池技术中是非常高的，但是如果要最大限度地提升性能，必须使用电池监控系统（BMS），以更安全的方式管理充电和放电循环，从而延长使用寿命。本文将为您介绍BMS的架构与运作模式，以及由ADI公司所推出的BMS器件的产品特性与优势。

BMS可提升电动汽车电池的运作效率

先进的BMS可协助电动汽车在运作时能够从电池组中提取大量的电荷，并能精确测量电池的充电状态（SOC），以延长电池运行时间或减轻重量，并提升电池的安全性，避免出现深度放电、过度充电、过电流和热过应力等形式的电气过载。

BMS的主要功能是通过监控电池运作时的物理量，使电池组中所有单节电池保持在其安全工作区域（SOA）中，监测电池组充电和放电电流、单节电池电压以及电池组温度。基于这些数值，不仅可以使电池安全运行，而且可以进行SOC和健康状态（SOH）计算。

BMS提供的另一个重要功能是电池平衡。在电池组中，可以将单节电池并联或串联放置，以达到所需的容量和工作电压（高达1 kV或更高）。电池制造商试图为电池组提供相同的电池，但这在物理上并不现实。即使很小的差异也会导致不同的充电或放电电平，而电池组中最弱的电池会严重影响到电池组的总体性能。精确的电池平衡是BMS的一项重要功能，它可确保电池系统以其最大容量安全运行。

无线BMS消除通信布线降低复杂度

电动汽车电池由几节电池串联组成，一个典型的电池组（具有96节串联电池）以4.2 V充电时会产生超过400 V的总电压。电池组中的电池节数越多，所达到的电压就越高。所有电池的充电和放电电流都相同，但是必须对每节电池上的电压进行监控。

为了容纳高功率汽车系统所需的大量电池，通常将多节电池分成几个模块，并分置于车辆的整个可用空间内。典型模块拥有10到24节电池，可以采用不同配置进行装配以适合多个车辆平台。模块化设计可作为大型电池组的基础，它允许将电池组分置于更大的区域，从而更有效地利用空间。

为了在电动汽车／混合动力汽车的高EMI环境中支持分布式模块化拓扑，稳健的通信系统必不可少。隔离CAN总线适合在这种环境中进行模块互联，尽管CAN总线为在汽车应用中互联电池模块提供了完善的网络，但它需要许多附加组件，这些额外组件会增加成本和电路板空间。此外，现代BMS若采用有线连接，将会具有明显的缺点，因为在布线中，导线走线至不同的模块会成为一个棘手的问题，同时又增加了重量和复杂性。导线也很容易生成噪声，从而需要进行额外的滤波。

无线BMS是一种新颖的架构，它消除了通信布线。在无线BMS中，每个模块的互联都通过无线连接方式实现。大型多节电池的电池组采用无线连接，其连线复杂度更低、重量更轻、成本更低，且安全性和可靠性更高，但由于恶劣的EMI环境，以及RF屏蔽金属构成的信号传播障碍，成为无线通信的一个难题。

嵌入式无线网络可改善可靠性与精确度

ADI推出的SmartMesh嵌入式无线网络，已经在工业物联网（IoT）应用中经过了现场验证，可通过运用路径和频率分散来实现冗余，从而在工业、汽车和其他恶劣环境中提供可靠性超过99.999%的连接。

除了通过创建多个冗余连接点来改善可靠性之外，无线Mesh网络还扩展了BMS的功能。SmartMesh无线网络可实现电池模块的灵活放置，并改善了电池SOC和SOH的计算。这是因为可以从安装在以前不适合布线之处的传感器收集更多的数据。SmartMesh还提供了来自每个节点的时间相关测量结果，从而可以实现更加精确的数据收集。

ADI并将LTC6811电池组监控器和ADI SmartMesh网络技术加以集成，这是一项重大突破，有望提高电动汽车／混合动力汽车大型多节电池组的可靠性，并降低成本、重量和布线复杂性。

LTC6811是一款多节电池的电池组监视器，可测量多达12个串接电池的电压，并具有小于1.2mV的总测量误差，所有12节电池可在290μs内完成测量，并可选择较低的数据采集速率以实现高的噪声抑制。LTC6811具有0 V至5 V的电池测量范围，适合大多数电池化学应用，并可将多个器件串联，以便同时监测很长的高压电池组。该器件包括每节电池的被动平衡，数据在隔离栅两边进行交换并由系统控制器编译，该控制器负责计算SOC、控制电池平衡、检查SOH，并使整个系统保持在安全限制内。

此外，还可以把多个LTC6811器件串接起来，因而能在长的高电压电池串中实现电池的同时监视。每个LTC6811具有一个isoSPI接口，用于实现高速、抗RF干扰的远程通信。使用LTC6811-1时，多个器件采用菊链式连接，且所有器件采用一根主处理器接线。在使用LTC6811-2时，则多个器件并联连接至主处理器，对每个器件进行个别寻址。

LTC6811可直接采用电池组或一个隔离式电源供电，并拥有针对每节电池的电荷被动平衡，以及用于每节电池的个别PWM占空比控制功能。其他特点包括一个内置的5V稳压器、5根通用型I/O线和一种睡眠模式（在该模式中电流消耗减小至4μA）。

电池平衡以优化电池容量与性能

电池平衡对于电池的性能有重大的影响，因为即使能精确地制造和选择电池，它们之间也会显示出细微的差异。电池之间任何的容量不匹配都会导致电池组整体容量的减少。显然地，电池组中最弱的电池将支配着整个电池组的性能。电池平衡是一种通过在电池充满电时均衡电池之间的电压和SOC，来帮助克服此问题的技术。

电池平衡技术可分成被动和主动两种，使用被动平衡时，如果一节电池过度充电，就会将多余的电荷耗散到电阻中。通常，采用一个分流电路，该电路由电阻和用作开关的功率MOSFET组成。当电池过度充电时，MOSFET关断，将多余的能量耗散到电阻中。LTC6811使用一个内置MOSFET来控制各节电池的充电电流，从而平衡被监视的每节电池。内置MOSFET可使设计紧凑，并能够满足60 mA的电流要求。对于更高的充电电流，可以使用外部MOSFET。该器件还提供了定时器来调整平衡时间。

另一方面，采用主动平衡则会在模块的其他电池之间重新分配多余的能量。这样，可以回收能量并且产生的热量更低，但这种技术的缺点是硬件设计更复杂。

ADI推出采用LT8584的架构来实现电池的主动平衡，该架构通过主动分流充电电流，并将能量返回电池组来解决被动分流平衡器存在的问题。能量并没有以热量的形式发生损耗，而是被重新利用，为电池组中的其余电池充电。该器件的架构还解决了一个问题，即当电池组中的一节或多节电池在整个电池组容量用尽之前就达到较低安全电压阈值时，会造成运行时间减少。只有主动平衡才能将电荷从强电池重新分配到弱电池。这样可以使弱电池继续为负载供电，从而可从电池组中提取更高百分比的能量。反激式拓扑结构允许电荷在电池组内任意两点之间往返。大多数应用将电荷返回到电池模块（12节或更多），其他一些应用则将电荷返回到整个电池组，还有些应用将电荷返回到辅助电源轨。

LT8584是一款单片式反激DC/DC转换器，专为高电压电池组的主动平衡而设计。开关稳压器的高效率显着地增加了可实现的平衡电流，同时减少了发热量。另外，主动平衡还可实现不平衡电池组中的容量恢复，这是采用被动平衡系统无法获得的特性。在典型系统中，可获得超过99%的总电池容量。

LT8584包括一个集成型6A、50V电源开关，因而降低了应用电路的设计复杂性。该器件完全依靠其所放电的电池来运行，从而不必增设采用外部电源供电时通常所需的复杂偏置电路。该器件的使能引脚（DIN）设计用于和LTC680x系列电池组电压监视IC无缝地协调运作。此外，当与LTC680x系列器件配合使用时，LT8584还可提供包括电流和温度监视的系统遥测功能。当LT8584停用时，其通常从电池消耗小于20nA的总静态电流。

结语

低排放车辆的关键是电气化，但还需要对能源（锂离子电池）进行智能管理，如果管理不当，电池组可能会变得不可靠，从而大大降低汽车的安全性。主动和被动电池平衡可实现安全高效的电池管理，分布式电池模块易于支持，并且可将数据稳定地传递到BMS控制器（无论是采用有线方式还是无线方式），能够实现可靠的SOC和SOH计算。ADI提供种类齐全的BMS器件组合，将可协助客户加速开发BMS，更有效率地管理电动汽车电池的运作效率与安全性。

审核编辑：刘清