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锂离子电池监控系统保证安全性并最大化电池性能 更新于2012-03-21 04:49:31 文章出处:Intersil 公司 作者 Tony Allen
锂离子电池 监控系统 电池性能

锂离子电池促进了电动汽车和混合动力汽车的发展，但要全面实现其潜能需要新一代半导体器件。这类器件必须能够正确监控和管理锂离子电池，以达到电池应有的性能。否则，充电一次应该行驶200公里的汽车，可能开180公里就走不动了。同样重要的是，新的半导体监控器件必须能够可靠检测电池故障。这意味着，在监控每节锂离子电池的同时，对监控系统本身进行监控。

随着电子器件具有越来越重要的作用，这些已成为汽车工业的考虑因素。然而，由大量单节锂离子电池组成的大电流系统带来全新的安全问题，系统必须采用多种半导体监控器连续测量每节电池的状态。为完成这项工作，所有监控器件之间需要绝对可靠地通信 —在汽车电磁干扰 (EMI) 相当高的环境下，这是一种极为严苛的要求。

根据这些要求，良好的锂离子电池监控系统必须满足四项重要标准：
• 精度—监控系统必须足以精确地确定每节锂离子电池的状态，以实现电池组最佳性能。精确到何种程度? 答案取决于使用的电池类型。
• 通盘诊断—除监控每节电池的状态，系统必须不断检查自身功能，以保证每一部分的工作达到预期精度要求。
• 可靠通信—监控系统各个部分需要协调工作，因此必须可靠通信—这种可靠性要求是大部分传统通信方法在这种噪声环境下无法胜任的。
• 安全—系统通过正确管理锂离子电池避免发生故障和安全问题。出现故障时，系统必须能够采取相应措施，同时避免误报警。

尽管多年来半导体供应商不断生产出管理锂离子电池的器件，但直到最近才开发出满足大型汽车电池组特定需求的器件。本文介绍新一代锂离子电池监控器件的要求，及其在先进电动汽车和混合动力车中发挥的重要作用。

如何避免监控器件崩解？
本例阵列由八个含有12节电池的电池包组成，总共96节锂离子电池。每组中的电池相互串联，同时电池组中的每节电池与监控器件相连。

虽然可以采用微控制器进行全面测量，但这些串联电池组的电压高达 50V 以上—这样高的电压微控制器无法直接处理。此外，电池系统会出现相当于电池组正常电压几倍的瞬态电压。电池监控电路必须耐受这种过压情况，有时需要在相当恶劣的条件下工作。

电池初次连接时便会出现难题。出于成本因素考虑，连接器设计一般不采用顺序连接，监控器件首先遇到的情况是随机连接事件。尽管监控器件完全可以承受这种情况下的电压，但又会面临电流的问题。

电池为无保护系统中的外接电容充电的电流可达几安培。这些电流不可避免地会流入某些电子器件，一般是 IC 内部连接的静电放电 (ESD) 保护电路。结果造成 IC 崩解。大部分情况下，唯一的办法是在电池上串联电阻来限制电流。

但是，采用电阻的传统方法会限制监控器件的精度，因为通过电阻的漏电流造成监控器件电压测量不准。为保证高度精确的测量结果，漏电流必须控制在很低的可预测值—这是传统双极晶体管输入电路难以完成的任务。最新一代监控器件采用了一种新的电荷转移架构，提高漏电流预测能力，从而显著提升测量精度。

如何保证精确性?

在运行过程中，监控器件以每秒高达100次的速度测量每节电池的电压。根据测量结果，汽车充电系统可确定每节电池所处放电周期的状态 (开始电压最高，然后沿特性曲线下降)。利用这种信息结合温度和电流测量结果，可计算电池剩余电量和汽车能够行驶的距离。

电池放电特性取决于其化学性能。近年来，锂离子电池化学性能不断改进，使现在的电池得以降低内部阻抗并延长电池使用寿命。这些化学性能的改进还使放电曲线趋于平缓。因此，新一代监控器件必须能够更加精确地测量放电曲线斜率中的微小变化。

由于放电曲线斜率反映了电池剩余电量，因此测量精度直接影响汽车能行驶里程的计算结果的准确性。例如，处于放电曲线中部的磷酸铁锂电池，按总电量百分比计算，电压斜率可能仅为1 mV每1%的电量。测量精度需要达到 +/-2 mV，才能保证充电系统总电量计算精度达到2%。

电池失衡进一步加大了这种情况的复杂性。随着电池的老化，电池容量会下降，有些电池下降程度会大大高于其他电池。特别是，软短路 (电阻非常高的短路) 会造成电池内部自放电，其电量会随着时间下降。在单节电池组中使用时，这样的电池可以再充电，不会出现电量损失。

但在多节电池组中，这种失衡将导致充电不足。例如，如果电池组中一节电池的电量为30%，其他电池为33%，这些电池充满电后将剩下一节电池充电不足。在接下来反复充电的过程中，这种不一致的情况继续恶化，直到电池组总电量显著下降。电池组中，电量最低的电池决定可用总能量。

为获得电池最大容量(及汽车应有行驶距离)，需要进行电池平衡，以保证电池组中所有电池电量相等。平衡需要监控器件将电池测量结果发送给微控制器进行平衡运算，以确定最佳平衡策略。电池充电前，微控制器通知监控器件接通电路，对电量最高的电池进行放电。这样，可以保证所有电池都能够充满。

诊断，通信，安全

当前锂离子电池的结构比过去更加安全。不过，正确管理和检测电池系统中的潜在故障仍是十分重要的。监控器件必须不断检查各种因素，如电池过压和欠压、过热等。同时，器件必须监控系统完整性问题，如电源是否充足、电压和温度监控系统是否开路。

故障检测触发通信响应，设置监控器件逻辑故障输出。监控器件设置可选择发生某种故障时，立即自动关闭系统，不需要微控制器介入。各种故障的特定响应可以编程，便于汽车制造商针对全球各地市场做出相应的选择。

由于监控器件必须在彼此之间并向微控制器通知故障检测结果（必要时，关闭整个系统）因此通信能力是至关重要的。标准 CAN 或 SPI 接口可用来与微控制器可靠通信，但监控器件之间采用这种接口会增加不应有的支出。采用 CAN 接口加隔离器件，每个控制器件将增加几美元成本，而专用接口支持同样的功能只需很少的费用。

双线菊花链通信接口是最佳解决方案，这种全差分配置接口可避免一些传统接口的瞬时磁化干扰问题。如果监控器件本身出现故障该如何解决? ISO26262 规范出现的目的就是通过使用单点和多点故障的统计分析，将漏检故障 (未查出的故障) 降低到可接受水平。

对于电池器件，这一规范要求监控器件能够检测和报告故障从而采取方法保证安全运行。例如，监控器件必须保证电池电压测量精度在预定义极限之内并且可以检测到器件短路以防止因过热而产生器件损坏。

因此，监控器件必须能够诊断自身的故障，并在发生故障时采取相应措施。

Intersil 公司 ISL78600 是首款新一代的锂离子电池监控和均衡产品，可满足当前电动汽车和混合动力汽车的各种要求。采用集成式14位模-数转换器 (ADC) 和先进的输入设计，这一器件具有最大限度提高锂离子电池性能所需的精度。器件集成的系统监控和诊断功能，有助于增强安全性、可靠性，同时可过滤故障检测输入，排除误报警。这些相关安全功能使ISL78600 成为一个满足汽车安全完整性等级  (ASIL)  C 级要求的卓越解决方案。