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功率技術/新能源  

平衡混合動力/電動汽車電池組以延長工作壽命

上網時間: 2012年03月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:混合動力  電動汽車  電池  LTC6803-1  BMS 

Cuyler Latorraca

凌力爾特應用工程師

電池作為電源使用的情況,除了日益成長的趨勢之外,現在又出現了另一種同樣強勁的需求,即將電池的使用壽命達到僅可能的延長。電池不平衡(即組成一個電池組的各顆電池的充電狀態不匹配)在大型鋰離子電池組中是個問題,這個問題是由製程、工作條件和電池老化的差異造成的。不平衡可能降低電池組的總容量,並有可能損壞電池組。不平衡使電池從充電狀態到放電狀態都無法跟蹤,而且如果沒有密切監視,可能導致電池過度充電或過度放電,這將永久性地損壞電池。

電池製造商按照容量和內部電阻對混合電動型汽車以及電動型汽車電池組中使用的電池進行分類,以在交給客戶的特定批次中,減少電池之間的差異。然後,再仔細挑選電池來構成汽車電池組,以改善電池組中每兩顆電池之間的匹配。理論上,這應該能防止電池組中產生大量的不平衡,但是儘管如此,普遍的共識是,當構成大型電池組時,既需要電池監視、又需要電池平衡,以在電池組壽命期內保持高電池容量。

要了解平衡對電池的重要性,首先是利用兩個相同的電池組來評估兩種基本的電池管理策略。該測試將探究,在電池壽命期內,電池組的總容量是怎樣受到影響的。為了評估這兩種策略,要設計一個電池監視系統(BMS)。該電池監視系統由3個部分組成:監視硬體、平衡硬體和控制器。用在測試中的電池監視系統能監視電池電壓和電池負載電流、平衡電池,並能控制電池與負載及電池充電器的連接。

監視硬體

圖1以凌力爾特的LTC6803-1電池監控元件為例,設計了簡單的電池監視器和平衡系統。每個LTC6803-1能測量12顆電池,並允許以可連接多個IC的串列形式連接,從而使一個系統能透過一個序列埠監視超過100個電池。當設計一個電池監視系統時,某些規範應當給以特殊考慮,首先是電池電壓準確度。當試圖決定單個電池的充電狀態時,電池電壓的準確度至關重要,而且一顆電池能否在接近工作極限的條件下工作,電池電壓的準確度是限制因素之一。LTC6803具1.5mV的解析度,準確度為4.3mV。這將允許該控制器針對電池狀態做出準確決策,而不論使用的是什麼樣的電池化學組成。其次,電池組不平衡的一個主要原因是電池監視電路本身的電源和備用電流的差異。在汽車應用中,備用電流尤其重要,因為大多數汽車在大部分時間裡都是熄火的狀態,這時電池監視系統處於備用模式。LTC6803僅具12μA備用電流,電流範圍規定為6μA至18μA,從而可保證在一個大型電池組中,最嚴重的不平衡為12μA,這使每月不平衡低於10mAhr。有兩個ADC輸入可用來監視電池溫度或其他的感測器資料。圖1中顯示的設計用Vtemp1輸入測量電池電流。電流以LT1999測量。LT1999是一款高壓雙向電流檢測放大器,具-5V至80V的輸入範圍,而且在本文所述測試情況下,設置為監視電池組高壓端的±10A。LTC6803上的兩個GPIO接腳用來控制一個有源負載和一個充電器。當充電結束或達到放電點時,變使LTC6803斷開電池與充電器或負載的連接。


圖1:6顆電池監視系統的簡化原理圖。LTC6803測量電池電壓並控制外部電池放電電晶體。LT1999測量至電池組的充電和放電電流。


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