管理混合动力电动汽车中的高电压锂离子电池

　　您还拥有96~200个串接电池，分成10或12个组。这些电池的老化速度不一，来自多个批次，而且温度不同。这些因素意味着它们具有不同的容量，而电荷量相同的电池有可能具有不同的电荷水平。为此，汽车内的电池监视系统重点关注电池电压。必须准确地测量每节电池的电压，然后采用电流和温度测量来调整读数(针对ESR和容量变化)。保存每个电池电荷水平的运行估计值。如果某些电池过充电，而其他的电池欠充电，则必须通过放电(即被动地平衡电荷)来调节每个电池中的电荷水平；另一种方法则是重新分配电荷(即主动地平衡电荷)。当电池达到最低电荷状态时，您就会发觉没电了。

　　您必需弄清楚如何准确地测量电压。以在-20ºC至+85ºC的温度范围内实现优于1%的电荷状态测量准确度作为起始目标。图1示出了普通锂离子电池的典型电荷与电压特性的关系曲线。不过，需要牢记的是：这些数据会因电池制造商和化学组成的不同而存在相当大的差异。在30%~70%的电荷状态范围内，电池电压的变化幅度约为200mV(即：每个百分点变化5mV)。0V至5V的测量范围要求0.1%的总测量准确度。将该数字变换为数据采集规格需要一个具1LSB(最低有效位)或0.02%INL(积分非线性)的12位ADC和一个具0.05%初始准确度和5ppm/ºC漂移(即：对于40ºC的温度变化为0.02%)的电压基准。

　　图1：典型5A-hr锂离子电池在不同放电速率条件下电荷与电压特性的关系曲线(a)。同一个电池在不同温度条件下(在5A放电期间)的电荷与电压特性的关系曲线(b)。

　　数据采集系统还必须抑制开关噪声和高共模电压。图2示出了电池组输出的仿真结果(当存在来自一个为电动机供电的10kHz负输出转换器的尖峰时)。把瞬变均等地散布于100个电池之上意味着顶端的电池具有一个370V的共模电压、100V的共模瞬态电压、1V的差分瞬态电压和一个3.7VDC值。必需以5mV的准确度来测量该3.7VDC值。

图2：该仿真结果示出了当存在来自一个为电动机供电的10kHz负输出转换器的尖峰时的电池组输出。

　　大多数电池监视系统均采用模组化构造的市售部件的组合。图3示出了监视一个内含36个电池(分为3组，每组12个电池)的电池组之方法。含有12个电池的模组负责提供至模拟电子线路的一个局部电源和地。通过把电池组分成几个小组，模拟电路将“承受”一个较小的共模电压。图4示出了分立型模拟电子线路实例。LT1991差分放大器可抑制共模电压，并对每个电池两端的差分电压进行缓冲。差分放大器的输出是参考于LT1461的电池电压。这12个信号被连接至一个16通道、24位ΔΣADCLTC2449的输入多工器。LT1461-2.5负责提供2.5V电压基准。MOSFET开关用于防止在ADC处于睡眠模式时从电池吸收电流。差分放大器的75dBCMRR(共模抑制比)、0.04%的差分放大器增益误差和0.04%的基准电压误差组合起来，产生了一个0.3%的最坏情况误差。ADC误差可忽略不计。在室温条件下进行系统校准可消除约90%的误差。

　　图3：您能够监视一个内含36个电池的典型电池组(分3组，各含12个电池)。含有12个电池的模组负责提供至模拟电子线路的一个局部电源和地。通过把电池组分成几个小组，模拟电路将承受小得多的共模电压。

　　图4：在用于分立模拟电子元件的简化电压测量电路中，电池电压信号被连接至一个16通道、24位ΔΣADCLTC2449的输入多工器。ADC误差可忽略不计，而且，在室温条件下进行系统校准可消除约90%的误差。

　　图4示出的只是一个简化的电压测量电路。完整的电池监视系统还需要电池平衡、数据通信和自测试功能，这将使原理图大为复杂。高元件数目使采用市售元件的做法既昂贵又不可靠。图5示出了一款相似的模组化电池测量设计方案，它利用一个IC实现了大多数功能的集成。输入多工器能够承受60V的共模电压。采用开关电容器采样方法可消除大多数分立型设计所面对的CMRR限制。ΔΣADC从本质上说是理想的，误差预算中的唯一事项就是基准电压。在未进行校准的情况下，LTC6802实现了0.12%(在室温条件下)和0.22%(在-40ºC至+85ºC的温度范围内)的准确度。室温误差的最初出厂校准可将总误差减小至0.1%(在整个温度范围内)。如欲获得更高的准确度，可以增添一个低漂移外部基准(图6)。定期测量LT1461的输出并使用该信息来调节电池测量，再加上初始校准，能够将误差减小至0.03%，这是ADC在-20ºC至70ºC范围内的噪声层。

图5：在一种简化的电池测量设计方案中，由一个IC集成了大部分功能

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