概述

混合動力電動型汽車電池中的電子組件是提高性能和安全性的關(guān)鍵。在集成電路設(shè)計領(lǐng)域的新技術(shù)使電池組設(shè)計師能進(jìn)一步提高鋰離子電池的性能。更高的測量準(zhǔn)確度、更堅固的數(shù)據(jù)鏈路和電池容量的主動電荷平衡都幫助實現(xiàn)了更低的成本、更長的行駛周期和更快的充電。

典型的電池組方框圖(圖1)由幾組串聯(lián)連接的鋰離子電池組成，它們的測量和平衡由高壓模擬集成電路完成。這些模擬前端(AFE)IC執(zhí)行艱難的測量每節(jié)電池電壓、電流和溫度的任務(wù)，并向控制電路傳遞數(shù)據(jù)。控制器運(yùn)用電池數(shù)據(jù)計算電池組的電荷狀態(tài)和健康狀態(tài)。控制器可能命令前端IC給某些電池充電或放電，以在電池組內(nèi)保持平衡的電荷狀態(tài)。

圖1：電池組方框圖

BATTERYpACK：電池組DATApORT：數(shù)據(jù)端口CONTROLLER：控制器StateofCharge：電荷狀態(tài)StateofHealth：健康狀態(tài)SystemSafety：系統(tǒng)安全DATABUS：數(shù)據(jù)總線ISOLATIONBARRIER：隔離勢壘AFEIC：模擬前端(AFE)ICMEASURE&BALANCE：測量與平衡12SERIESLI-IONCELLS：12節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池。

更高的準(zhǔn)確度意味著更低的成本

模擬前端IC的測量準(zhǔn)確度對系統(tǒng)成本有直接影響。要準(zhǔn)確的測量以實現(xiàn)有用的電荷狀態(tài)(SOC)計算。為了實現(xiàn)長壽命，電池組一般在20%至80%的SOC之間工作。假如在SOC計算中有5%的不確定性，那么電池組的尺寸就必須增大5%，這導(dǎo)致電池的成本顯著增大。給一個16kW-hr電池組新增5%的容量，要約360歐元(460美元)。改進(jìn)SOC計算以實現(xiàn)1%的誤差意味著，每個電池組能節(jié)省約300歐元(385美元)。

電池電壓測量是SOC算法的關(guān)鍵要素。當(dāng)測量3.3VLiFepO4(磷酸鐵鋰)電池時，IC電源和電池組開發(fā)人員都集中采用總測量誤差1mV的規(guī)格。

關(guān)于諸如售價480歐元(615美元)的Fluke-289手持式萬用表等實驗室設(shè)備，測量3.3V至1mV以內(nèi)的電壓是司空見慣的。AFEIC必須以1/100的成本供應(yīng)相同的性能，并在汽車環(huán)境中持續(xù)工作15個年。只有為數(shù)不多的IC技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

真實世界中的準(zhǔn)確度

什么樣的IC技術(shù)最適合電池測量呢?答案可從圖2(典型AFEIC的方框圖)的誤差分析獲得。12個串接電池之一由多路復(fù)用器(MUX)模塊來選擇。通過閉合“S”開關(guān)把電池電壓存儲在一個電容器上。斷開“S”開關(guān)，然后閉合“T”開關(guān)。電池兩端的電壓將轉(zhuǎn)移至ADC。這種“飛跨電容器”方法消除了頂端電池33V的大共模電壓，并保持了3.3V的差分電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電池電壓與其電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，并出現(xiàn)一個與VCELL和VREF之比成比例的數(shù)字結(jié)果。

圖2：典型模擬前端(AFE)IC

DATAI/O：數(shù)據(jù)I/OVOLTAGEREFERENCE：電壓基準(zhǔn)。

假如開關(guān)的阻抗太大，無法在很短的采樣時間內(nèi)給電容器充電，那么MUX和飛跨電容器就可能引入測量誤差。細(xì)致的開關(guān)電容器設(shè)計可消除這個誤差項。

由ADC進(jìn)行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換還可能由于組件失配而引入誤差。其次，細(xì)致的設(shè)計與組件微調(diào)相結(jié)合，可降低ADC引起的誤差。