使用电池组监控 IC 仔细检查电动汽车电池

电池、超级电容器和燃料电池需要仔细监控，以延长续航里程、延长寿命并确保储能系统的安全，例如电动和混合动力汽车。电池在汽车中的使用正在沿着一系列应用发展。微型混合动力汽车使用传统的 12V 铅酸电池，并具有交流发电机-电机单元，当您停止车辆时，可以让发动机停止。当您踩下油门踏板时，发动机平稳启动，然后按常规运行。混合动力汽车，例如丰田普锐斯、本田Insight 和雪佛兰伏特，有更大的电池。这些电池产生超过 200V 的电压。电池化学物质传统上是 NiMH(镍金属氢化物)，但各种锂离子化学物质为给定重量提供更多能量。全电动汽车，如特斯拉跑车和日产聆风，拥有最大的电池;它们的电池组电压范围为 300 至 400V。

电池中的电压越高，给定功率的电流越低，从而减少昂贵的铜缆线的规格。更重要的是，更高的电压允许更高输出电机的绕组。2004 年，丰田为普锐斯增加了一个升压转换器，将电池组电压从 200V 提高到 500V。这一步骤使丰田能够重新设计推进电机并将扭矩从 350 提高到 400 Nm，将功率从 33 提高到 50 kW。

数据中心还使用 300V 电池组作为 UPS(不间断电源)备用电源。在这个应用中，锂离子电池正在取代铅酸电池。车辆利用锂离子更好的重量能量密度——即每磅或千克的能量。相反，UPS 应用涉及锂离子电池的体积能量密度。数据中心占地面积昂贵;虽然锂离子电池系统的成本可能更高，但它只占用铅酸电池系统所需空间的四分之一。这一事实通常允许数据中心将电池和逆变器系统组合到一个房间中。一些数据中心正在考虑移除逆变器并将直流电压分配给可以接受直流输入的数据服务器计算机。

就锂离子电池的大小而言，电网调平应用与数据中心具有相同的优势。一些电网调平方案打算使用燃料电池，而高压燃料电池堆需要像电化学电池一样仔细监控。燃料电池有特殊要求;在使用过程中，它们可以在电池上具有任一极性，并表现出各种故障模式。IC 制造商正在调整他们的电池组监控芯片来处理这些负电池电压。

当您监控超级电容器堆栈时，也会出现类似的问题。用户想要从电容器中获取所有能量，这样做意味着将其放电至 0V。当这种情况发生时，介电效应会导致电容器呈现负电压，通常高达 -0.5V。几家 IC 制造商已经改进了他们的电池组芯片以应对这些负电位。与电池或燃料电池相比，超级电容器存储的能量更少，因此它们在高能应用中的使用较少。

电池监测

汽车和 UPS 制造商希望准确测量电池组中的每个电池。“你不想因为坏电池而关闭汽车，但你会因为温度过高而关闭它，”Analog Devices 的混合动力和电动汽车市场营销经理 Paul Maher 说。汽车电池的保养至关重要。“你预计笔记本电池可以使用两年，但汽车电池组应该可以使用 10 年，”他补充道。

测量必须准确，因为几毫伏就可以代表大量的电荷。测量存在共模问题，您试图在存在数百伏共模电位的情况下进行准确的电池测量。测量不是直流测量，您可以在其中使用积分 ADC。由于电机-逆变器电路的斩波作用，电池电压可能会以千赫兹的速率变化。此外，您需要在测量系统中进行电流隔离，因为电池电压很危险。芯片必须消耗很少的电量，以免耗尽电池电量。除了测量本身的困难之外，您还必须将测量结果传达给车辆或数据中心的各个地方。

电池组监控电路面临的第一个挑战是准确性。现代锂离子电池具有平坦的放电曲线。德州仪器 (TI) 的电力营销经理 Matthew Borne 说：“5 mV 的测量误差表示电池充电状态估计中存在 10% 的误差。” 您必须在损坏电池之前停止对电池放电，因此更好的精度直接转化为更大的范围;4V 电池上的 8mV 准确度转化为 0.2% 的精度。为了提供 0.2% 的系统精度，电压基准精度可能必须为 0.1% 的超时和温度。

一旦达到足够的精度，您将面临另一个问题：测量可能与数十个其他电池串联的 4V 电池。如果您要使用衰减器来测量电池电压，则需要精确的电阻分压器。即使是薄膜电阻器也不够精确，并且无法在整个温度范围内进行足够密切的跟踪。

您可以将电容器充电至电池电压，然后将它们切换到底盘参考电位。这种所谓的飞电容方法是可行的，但也有缺点。例如，根据 MaximIntegrated Products 的汽车和工业电池产品业务经理 Stephen G LaJeunesse 的说法，电容器开始在不同电位的电池之间传输不匹配的电荷。“它们还需要高压开关，而这些开关本身就有损耗，”降低了电路的效率，他说。