凌力爾特:精準(zhǔn)測(cè)量助新能源汽車(chē)削減電池成本

近年混合動(dòng)力汽車(chē)已經(jīng)成為市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)，他的最重要組成部分電池也是其價(jià)格高企的“禍根”。以每千瓦時(shí)600美元計(jì)算，5千瓦時(shí)的電池組成本就高達(dá)3000美元。如何降低電池組成本，除了提升電池本身的技術(shù)之外，電池管理、控制系統(tǒng)的提升也必不可少。

凌力爾特作為老牌的電源IC供應(yīng)商，近期推出的LTC6804高電壓電池組監(jiān)視器 IC就為減少混合動(dòng)力汽車(chē)電池組成本提供了一個(gè)新的解決思路。

凌力爾特信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Brian Black 

凌力爾特信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Brian Black對(duì)21ic記者介紹說(shuō)：“LTC6804 能以 16 位分辨率和優(yōu)于 0.04% 的準(zhǔn)確度來(lái)測(cè)量 12 節(jié)高達(dá) 4.2V 的串聯(lián)連接電池。利用一個(gè)亞表面齊納電壓基準(zhǔn) (類(lèi)似于高精度儀表中所使用的基準(zhǔn))，可在整個(gè)時(shí)間、溫度和工作條件下保持高精度。而一般的電源監(jiān)視IC精度僅能達(dá)到2.5%。LTC6804更高的精度可以有效減少電池組成本。”
那么更高的監(jiān)視精度是如何減少混合動(dòng)力汽車(chē)電池組成本的呢？

如果期望鋰離子電池長(zhǎng)時(shí)間地可靠運(yùn)行，就必需對(duì)其給予大量的看護(hù)。不能讓它們工作到其電荷狀態(tài) (SOC) 的極端狀態(tài)。鋰離子電池的容量會(huì)隨著時(shí)間的推移和使用而逐漸減少和消耗，因此必須對(duì)系統(tǒng)中的每一節(jié)電池進(jìn)行管理，使之保持在一個(gè)受限的 SOC 之內(nèi)。

Brian Black表示，如果把SOC 范圍限制在 20%——80% (理論容量的 60%)。假定一般的電源監(jiān)視IC SOC 測(cè)量誤差 = 2.5%。則“保護(hù)間隔”要求把實(shí)測(cè) SOC 限制在 22.5%~77.5% (理論容量的 55%)。那么補(bǔ)充“損失”的 5% 需要增加 9.1% 的電池容量 (5% ÷ 55% = 9.1%)。如果以每千瓦時(shí)600美元計(jì)算，$600/kWh x 5kWh x 9.1% = 每輛車(chē)高達(dá) 273 美元。

如果采用準(zhǔn)確度高達(dá)0.04%的LTC6804，那么這“多余”的273美元完全可以被削減為零。可見(jiàn)更高精度的電池監(jiān)視IC將直接降低整個(gè)電池組的成本，混合動(dòng)力汽車(chē)整體成本也將隨之下降。

LTC6804達(dá)到如此之高的精度，主要得益于其電壓基準(zhǔn)技術(shù)。

在現(xiàn)在電池監(jiān)視 IC 中，由電壓基準(zhǔn)所造成的電池測(cè)量誤差通常是最大的。誤差源來(lái)自初始準(zhǔn)確度、溫度漂移、熱遲滯和長(zhǎng)期漂移。遲滯指的是熱循環(huán)時(shí)在基準(zhǔn)中引起的一個(gè)偏移電壓。最有影響的熱事件發(fā)生在焊接過(guò)程中。

電池監(jiān)視器的電流產(chǎn)生依賴于帶隙電壓基準(zhǔn)。在過(guò)去的 10 年中，帶隙基準(zhǔn)因其低功耗、低壓差電壓和小尺寸而得到了廣泛的使用。然而，帶隙基準(zhǔn)電壓對(duì)于機(jī)械應(yīng)力很敏感。在集成電路中，機(jī)械應(yīng)力是由塑料封裝和銅引線框架的膨脹和收縮 (因機(jī)械應(yīng)變、濕度和溫度變化所致) 而引起的。例如：在 PCB 裝配過(guò)程中，電子電路將遭受來(lái)自焊接工藝處理的多次熱沖擊，而電壓基準(zhǔn)則會(huì)經(jīng)歷熱遲滯。

Brian Black指出：“利用一個(gè)掩埋式齊納電壓基準(zhǔn) (類(lèi)似于高精度儀表中所使用的那種基準(zhǔn))，LTC6804 可在整個(gè)時(shí)間、溫度和工作條件下保持精度。我們的測(cè)試結(jié)果表明：與同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)器件 (包括我們的 LTC6802 和 LTC6803) 相比，LTC6804 的熱遲滯性能至少改善了 5 倍。”

LTC6804 測(cè)量誤差與溫度的關(guān)系曲線

正是由于采用了掩埋式齊納電壓基準(zhǔn)，凌力爾特的KTC6804才實(shí)現(xiàn)了如此之高的測(cè)量精度。

除了采用更好的電壓基準(zhǔn)之外，LTC6804 的高精度還和其自帶的雙通道 16 位 ADC 有關(guān)。憑借 100μV 的分辨率，LTC6804 能在 290μs 的時(shí)間里完成系統(tǒng)中所有電池的電壓測(cè)量。另外，還提供了用于測(cè)量外部模擬信號(hào)的通用 I/O 信號(hào)。規(guī)定的測(cè)量范圍為 0V 至 5V，因而可適應(yīng)多種電池化學(xué)組成，包括鋰離子、鎳氫 (NiMH) 和超級(jí)電容器。

LTC6804除了應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車(chē)之外，還可以廣泛應(yīng)用于其他高壓、堆疊式電池系統(tǒng)的高壓電池監(jiān)視，比如機(jī)器人、不間斷電源、后備電源、風(fēng)能/太陽(yáng)能貯存等領(lǐng)域。