隨著混合動力或動力汽車的普及，給車輛提供可靠及安全的供電成為關(guān)鍵，本文主要是結(jié)合凌力爾特公司電池監(jiān)視IC為例，分析如何通過對電池的監(jiān)視和控制使汽車電池組實現(xiàn)高性能、長壽命和高可靠性。無線電池管理系統(tǒng)(BMS)有望進(jìn)一步提高整個電池系統(tǒng)的安全性和可靠性。
為了給車輛提供充足的電力，需要數(shù)十或數(shù)百節(jié)電池配置成一長串，以產(chǎn)生高達(dá) 1000V 或更高的電壓。電池電子系統(tǒng)必須以這種高電壓運行，并抑制共模電壓效應(yīng)，同時對電池串中的每節(jié)電池分別地加以測量和控制。這些電子系統(tǒng)必須能夠從電池組中的每節(jié)電池向中央處理點發(fā)送信息。
如果希望鋰離子電池能長時間可靠運行，就需要相當(dāng)小心，以避免使其過度運行，導(dǎo)致其充電狀態(tài)(SOC)達(dá)到極端點。隨著時間推移和使用量增加，鋰離子電池的容量會減小，而且各節(jié)電池容量之間會出現(xiàn)差異，因此對系統(tǒng)中的每節(jié)電池都必須加以管理，以保持這些電池處于所限定的SOC范圍之內(nèi)。
此外，在車輛或其他大功率應(yīng)用中，高壓電池組面臨著惡劣的運行情況，例如運行時電氣噪聲非常大，工作溫度變化范圍很寬等。人們希望電池管理電子系統(tǒng)最大限度擴(kuò)大運行范圍、延長壽命、提高安全性和可靠性，同時最大限度降低成本、減小尺寸和重量。
在2008年，凌力爾特公司推出了首款高性能多節(jié)電池組監(jiān)測器LTC6802。LTC6802的主要功能包括：以0.25%的最大總體測量誤差在13ms內(nèi)測量多達(dá)12節(jié)鋰離子電池;多個LTC6802 IC可串聯(lián)連接以同時監(jiān)測很長的高壓電池串中的每節(jié)電池。多年來，凌力爾特已經(jīng)對LTC6802進(jìn)行了多次改進(jìn)。其LTC68XX系列的所有器件都計劃用于混合動力/電動汽車(HEV)、電動汽車(EV)以及其他高壓、大功率電池組，以進(jìn)行精準(zhǔn)的電池管理。
LTC6811是凌力爾特最新的多節(jié)電池組監(jiān)測器，采用了超穩(wěn)定電壓基準(zhǔn)、高壓多路轉(zhuǎn)換器和兩個16位增量累加ADC。LTC6811能夠以高于0.04%的電壓準(zhǔn)確度測量多達(dá)12節(jié)串聯(lián)連接的電池。在最快速ADC模式，所有電池可在290μs時間內(nèi)完成測量。采用8個可編程3階低通濾波器設(shè)置時，LTC6811可提供出色的降噪性能。因此，可以得到卓越的電池測量準(zhǔn)確度，進(jìn)而實現(xiàn)精準(zhǔn)的電池管理，以增大電池包容量、提高安全性，并延長壽命。
每個LTC6811都包括兩個內(nèi)置的1MHz串行接口、一個用于連至本地微處理器的SPI接口和專有兩線isoSPI接口。isoSPI接口提供兩種通信選擇：多個器件能夠以菊鏈方式連至BMS主器件 (主處理器);或者多個器件能夠以并聯(lián)方式尋址及連至BMS主處理器。
模塊化電池組
大功率汽車系統(tǒng)需要大量電池，為了適應(yīng)這種情況，電池常常分成幾個電池組，并分散在車內(nèi)的各處可用空間中。一個典型的電池模塊中有10到24節(jié)電池，多個模塊能夠以不同配置方式組裝，以適合多種車輛平臺。模塊化設(shè)計簡化了維護(hù)和保修問題，并能夠作為非常大型電池組的基礎(chǔ)。模塊化設(shè)計允許電池組分散在較大的區(qū)域內(nèi)，以更有效地利用空間。
要在EV/HEV的高電磁干擾(EMI)環(huán)境中支持分布式、模塊化拓?fù)洌枰煽康耐ㄐ畔到y(tǒng)。隔離式CAN總線和凌力爾特的isoSPI為在這種環(huán)境中實現(xiàn)模塊互連提供了經(jīng)過行車驗證的解決方案。
由于CAN總線已成功導(dǎo)入汽車應(yīng)用中，為電池模塊互連提供了一種非常成熟的網(wǎng)絡(luò)，但是需要一些額外的組件。例如，通過LTC6811的SPI接口部署隔離式CAN總線，需要增加一個CAN收發(fā)器、一個微處理器和一個隔離器。CAN總線的主要缺點是，增加這些組件增加了成本和所需電路板空間。
圖1：采用CAN總線的模塊化BMS電子系統(tǒng)。
一種能夠代替CAN總線的接口是創(chuàng)新性兩線isoSPI接口。這種isoSPI接口集成到了每一個LTC6811中，采用簡單的變壓器和單對雙絞線，而不是CAN總線所需的4條線。isoSPI接口提供很高的抗RF噪聲性，用這種接口，眾多模塊可通過很長的電纜以菊鏈方式連接，并以高達(dá)1Mbps的數(shù)據(jù)速率運行。
圖2：采用isoSPI接口以菊鏈方式連接的模塊化BMS電子系統(tǒng)。
無線BMS
在無線BMS中，每個模塊都是通過無線連接而不是CAN總線電纜或isoSPI雙絞線對互連的。凌力爾特目前正在展示首款采用無線汽車BMS的概念車——BMW i3，該款概念車采用了LTC6811電池組監(jiān)測器和凌力爾特的SmartMesh無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，以取代電池組和電池管理系統(tǒng)之間的傳統(tǒng)有線連接。這種全無線BMS車輛的演示代表著一項重大突破，因為對于EV/HEV所采用并由多節(jié)電池組成的大型電池組而言，這提供了改善可靠性、降低成本及布線復(fù)雜性。
汽車制造商面臨的挑戰(zhàn)在于，必須確保駕駛?cè)思劝踩挚煽康伛{駛EV/HEV。包括凌力爾特等業(yè)界供貨商正致力于尋求超越電池監(jiān)測IC既有的安全性和可靠性，進(jìn)一步在高度振動的汽車環(huán)境中，應(yīng)對可能產(chǎn)生的連接器、電纜和束線布線的機(jī)械故障。迄今為止，人們一直認(rèn)為，車輛中的金屬和高EMI環(huán)境太嚴(yán)苛了，無線系統(tǒng)不可能可靠運行。然而，SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)可運用多樣化的通路和頻率繞過障礙物傳送無線信息，并降低干擾，從而提供了真正冗余的互連系統(tǒng)。
SmartMesh 嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中經(jīng)過現(xiàn)場驗證，可在惡劣環(huán)境中提供可靠性>99.999%的數(shù)據(jù)傳輸，例如火車車廂監(jiān)測、采礦、工業(yè)處理廠等環(huán)境。無線 BMS 概念車提供導(dǎo)線連接般的可靠性，消除了機(jī)械連接器故障問題，這表明無線技術(shù)有望顯著提高總體系統(tǒng)可靠性，簡化汽車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計。
圖3：采用SmartMesh網(wǎng)絡(luò)的模塊化BMS電子系統(tǒng)。
采用SmartMesh網(wǎng)絡(luò)的BMS有潛力提供目前有線系統(tǒng)無法提供的新功能。無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)允許靈活地放置電池模塊，以及在以前不適合束線布線的地方安裝傳感器。通過簡單地增加支持SmartMesh的傳感器，BMS主器件也可以收集與電池充電狀態(tài)(SOC)計算準(zhǔn)確度有密切關(guān)系的其他數(shù)據(jù)，例如電流和溫度。SmartMesh用幾微秒時間就能夠自動實現(xiàn)每個節(jié)點的時間同步，并準(zhǔn)確地給每個節(jié)點的測量值加蓋時間戳。能夠讓車輛中不同地方的測量值與時間相關(guān)，對于更準(zhǔn)確地計算電池充電狀態(tài)(SOC)和健康狀態(tài)(SOH)而言，這是一種強(qiáng)大的功能。在每個模塊處具本地處理能力的SmartMesh節(jié)點改善了BMS的運行，還有可能實現(xiàn)智能電池模塊，這類模塊可以提供模塊診斷和通信，以提升組裝和服務(wù)水平。
SmartMesh網(wǎng)絡(luò)
SmartMesh無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品包括芯片、預(yù)先認(rèn)證的PCB模塊和網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)軟件，能夠讓傳感器在惡劣的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)環(huán)境中通信。
SmartMesh產(chǎn)品經(jīng)過現(xiàn)場驗證，有超過5萬個客戶網(wǎng)絡(luò)部署在120個國家。通過在惡劣的RF環(huán)境中提供>99.999%的數(shù)據(jù)可靠性，SmartMesh無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了工業(yè)IoT提供商的信任，可在無需干預(yù)的情況下連續(xù)多年可靠地提供關(guān)鍵的傳感器和控制數(shù)據(jù)。
圖4：SmartMesh IP無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
SmartMesh 特點包括：
• 經(jīng)過驗證：經(jīng)過現(xiàn)場驗證，在工業(yè)4.0應(yīng)用中提供>99.999%的可靠性
• 可靠：時間同步、通道跳頻網(wǎng)格技術(shù)能基于自我診斷自動地減少故障
• 安全：可靠的安全措施包括NIST認(rèn)證的AES128加密
互連方式比較
以下方框圖突出顯示了CAN 總線、isoSPI和SmartMesh網(wǎng)絡(luò)之間不同的電氣連接方式：
圖5：采用CAN總線的電池監(jiān)視互連方式。
圖6：采用isoSPI的電池監(jiān)視互連方式。
圖7：采用SmartMesh WSN的電池監(jiān)視互連方式。
圖8：采用 SmartMesh WSN的電池監(jiān)視和附加傳感器的互連方式。
總結(jié)
有了SmartMesh無線BMS，就有望棄用需要維護(hù)的連接器、電纜和線束。無線 BMS 可通過 SmartMesh 的可擴(kuò)展性和時間戳數(shù)據(jù)采集能力擴(kuò)展 BMS 功能。此外它還允許增加新的傳感器，以進(jìn)一步提高可靠性。
a&s傳媒是全球知名展覽公司法蘭克福展覽集團(tuán)旗下的專業(yè)媒體平臺，自1994年品牌成立以來，一直專注于安全&自動化產(chǎn)業(yè)前沿產(chǎn)品、技術(shù)及市場趨勢的專業(yè)媒體傳播和品牌服務(wù)。從安全管理到產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，a&s傳媒擁有首屈一指的國際行業(yè)展覽會資源以及豐富的媒體經(jīng)驗，提供媒體、活動、展會等整合營銷服務(wù)。
粵公網(wǎng)安備 44030402000264號
