使用電池組監(jiān)控 IC 仔細(xì)檢查電動(dòng)汽車(chē)電池

電池、超級(jí)電容器和燃料電池需要仔細(xì)監(jiān)控，以延長(zhǎng)續(xù)航里程、延長(zhǎng)壽命并確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全，例如電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)。電池在汽車(chē)中的使用正在沿著一系列應(yīng)用發(fā)展。微型混合動(dòng)力汽車(chē)使用傳統(tǒng)的 12V 鉛酸電池，并具有交流發(fā)電機(jī)-電機(jī)單元，當(dāng)您停止車(chē)輛時(shí)，可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)停止。當(dāng)您踩下油門(mén)踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，然后按常規(guī)運(yùn)行?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)，例如豐田普銳斯、本田Insight 和雪佛蘭伏特，有更大的電池。這些電池產(chǎn)生超過(guò) 200V 的電壓。電池化學(xué)物質(zhì)傳統(tǒng)上是 NiMH(鎳金屬氫化物)，但各種鋰離子化學(xué)物質(zhì)為給定重量提供更多能量。全電動(dòng)汽車(chē)，如特斯拉跑車(chē)和日產(chǎn)聆風(fēng)，擁有最大的電池;它們的電池組電壓范圍為 300 至 400V。

電池中的電壓越高，給定功率的電流越低，從而減少昂貴的銅纜線的規(guī)格。更重要的是，更高的電壓允許更高輸出電機(jī)的繞組。2004 年，豐田為普銳斯增加了一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，將電池組電壓從 200V 提高到 500V。這一步驟使豐田能夠重新設(shè)計(jì)推進(jìn)電機(jī)并將扭矩從 350 提高到 400 Nm，將功率從 33 提高到 50 kW。

數(shù)據(jù)中心還使用 300V 電池組作為 UPS(不間斷電源)備用電源。在這個(gè)應(yīng)用中，鋰離子電池正在取代鉛酸電池。車(chē)輛利用鋰離子更好的重量能量密度——即每磅或千克的能量。相反，UPS 應(yīng)用涉及鋰離子電池的體積能量密度。數(shù)據(jù)中心占地面積昂貴;雖然鋰離子電池系統(tǒng)的成本可能更高，但它只占用鉛酸電池系統(tǒng)所需空間的四分之一。這一事實(shí)通常允許數(shù)據(jù)中心將電池和逆變器系統(tǒng)組合到一個(gè)房間中。一些數(shù)據(jù)中心正在考慮移除逆變器并將直流電壓分配給可以接受直流輸入的數(shù)據(jù)服務(wù)器計(jì)算機(jī)。

就鋰離子電池的大小而言，電網(wǎng)調(diào)平應(yīng)用與數(shù)據(jù)中心具有相同的優(yōu)勢(shì)。一些電網(wǎng)調(diào)平方案打算使用燃料電池，而高壓燃料電池堆需要像電化學(xué)電池一樣仔細(xì)監(jiān)控。燃料電池有特殊要求;在使用過(guò)程中，它們可以在電池上具有任一極性，并表現(xiàn)出各種故障模式。IC 制造商正在調(diào)整他們的電池組監(jiān)控芯片來(lái)處理這些負(fù)電池電壓。

當(dāng)您監(jiān)控超級(jí)電容器堆棧時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的問(wèn)題。用戶(hù)想要從電容器中獲取所有能量，這樣做意味著將其放電至 0V。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，介電效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電容器呈現(xiàn)負(fù)電壓，通常高達(dá) -0.5V。幾家 IC 制造商已經(jīng)改進(jìn)了他們的電池組芯片以應(yīng)對(duì)這些負(fù)電位。與電池或燃料電池相比，超級(jí)電容器存儲(chǔ)的能量更少，因此它們?cè)诟吣軕?yīng)用中的使用較少。

電池監(jiān)測(cè)

汽車(chē)和 UPS 制造商希望準(zhǔn)確測(cè)量電池組中的每個(gè)電池?！澳悴幌胍?yàn)閴碾姵囟P(guān)閉汽車(chē)，但你會(huì)因?yàn)闇囟冗^(guò)高而關(guān)閉它，”Analog Devices 的混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Paul Maher 說(shuō)。汽車(chē)電池的保養(yǎng)至關(guān)重要?！澳泐A(yù)計(jì)筆記本電池可以使用兩年，但汽車(chē)電池組應(yīng)該可以使用 10 年，”他補(bǔ)充道。

測(cè)量必須準(zhǔn)確，因?yàn)閹缀练涂梢源泶罅康碾姾?。測(cè)量存在共模問(wèn)題，您試圖在存在數(shù)百伏共模電位的情況下進(jìn)行準(zhǔn)確的電池測(cè)量。測(cè)量不是直流測(cè)量，您可以在其中使用積分 ADC。由于電機(jī)-逆變器電路的斬波作用，電池電壓可能會(huì)以千赫茲的速率變化。此外，您需要在測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行電流隔離，因?yàn)殡姵仉妷汉芪ｋU(xiǎn)。芯片必須消耗很少的電量，以免耗盡電池電量。除了測(cè)量本身的困難之外，您還必須將測(cè)量結(jié)果傳達(dá)給車(chē)輛或數(shù)據(jù)中心的各個(gè)地方。

電池組監(jiān)控電路面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)是準(zhǔn)確性?，F(xiàn)代鋰離子電池具有平坦的放電曲線。德州儀器 (TI) 的電力營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理 Matthew Borne 說(shuō)：“5 mV 的測(cè)量誤差表示電池充電狀態(tài)估計(jì)中存在 10% 的誤差?！?您必須在損壞電池之前停止對(duì)電池放電，因此更好的精度直接轉(zhuǎn)化為更大的范圍;4V 電池上的 8mV 準(zhǔn)確度轉(zhuǎn)化為 0.2% 的精度。為了提供 0.2% 的系統(tǒng)精度，電壓基準(zhǔn)精度可能必須為 0.1% 的超時(shí)和溫度。

一旦達(dá)到足夠的精度，您將面臨另一個(gè)問(wèn)題：測(cè)量可能與數(shù)十個(gè)其他電池串聯(lián)的 4V 電池。如果您要使用衰減器來(lái)測(cè)量電池電壓，則需要精確的電阻分壓器。即使是薄膜電阻器也不夠精確，并且無(wú)法在整個(gè)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行足夠密切的跟蹤。

您可以將電容器充電至電池電壓，然后將它們切換到底盤(pán)參考電位。這種所謂的飛電容方法是可行的，但也有缺點(diǎn)。例如，根據(jù) MaximIntegrated Products 的汽車(chē)和工業(yè)電池產(chǎn)品業(yè)務(wù)經(jīng)理 Stephen G LaJeunesse 的說(shuō)法，電容器開(kāi)始在不同電位的電池之間傳輸不匹配的電荷?！八鼈冞€需要高壓開(kāi)關(guān)，而這些開(kāi)關(guān)本身就有損耗，”降低了電路的效率，他說(shuō)。