如果希望鋰電池能長時間可靠運作,就需要相當謹慎,以避免使其過度作業導致其充電狀態(SOC)達到極端。隨著時間推移和使用量增加,鋰電池的容量會減少,而且各顆電池容量之間會出現差異,因此必須對系統中的每顆電池加以管理,以保持這些電池處於所限定的SOC範圍內。

為了讓車輛擁有充足的電力,需要數十或數百顆電池配置成串,以產生高達1,000V或更高的電壓。電池的電子系統必須以這種高電壓運作,並抑制共模電壓效應,同時分別測量和控制電池串中的每顆電池。這些電子系統必須能夠從電池組中的每顆電池向中央處理點發送資訊。

此外,在車輛或其他大功率應用中,高壓電池組面臨著嚴苛的運作情況,例如運作時電氣雜訊非常大,以及工作溫度變化範圍寬廣等。理想的電池管理電子系統必須能最大限度地擴大運作範圍、延長壽命、提高安全性和可靠性,同時使成本、尺寸和重量縮減至最小化。

例如,凌力爾特科技的電池監測IC讓當今的汽車電池組實現了高性能、長壽命和高可靠性。無線電池管理系統(BMS)可望進一步提高整個電池系統的安全性和可靠性。

電池監測

凌力爾特在2008年推出首款高性能的多電池組監測器LTC6802。LTC6802的主要功能包括:以0.25%的最大總測量誤差在13ms內測量多達12顆鋰離子電池;多個LTC6802 IC可串聯連接,同步監測高壓電池串聯中的每顆電池。LTC6802並歷經多年的改善,如今,LTC68XX系列的所有元件可望用於混合動力/電動車(HEV)、純電動車(EV)以及其他高壓、大功率的電池組,為其進行精準的電池管理。

如今,最新的多電池組監測器LTC6811採用了超穩定電壓參考、高壓多工器和兩個16位元增量累加(ΔΣ) ADC。該多電池組監測器能以高於0.04%的電壓準確度測量多達12顆串聯連接的電池。在最快速的ADC模式時,所有的電池可在290μs時間內完成測量。採用8個可編程的3階低通濾波器設定時,LTC6811可大幅降低雜訊,因而達到卓越的電池測量準確度,進而實現精準的電池管理,以提高電池組容量、安全性並延長壽命。

每個多電池組監測器都包括兩個內建的1MHz序列介面、一個用於連接本地微處理器的SPI介面和專有的兩線式isoSPI介面。isoSPI介面提供兩種通訊選擇:多個元件能夠以菊鏈方式連至BMS主元件(主處理器);或者多個元件以並聯方式連接並定址至BMS主處理器。

模組化電池組

為了因應大功率汽車系統對於大量電池的需求,電池常常分成幾個電池組,並分散在車內的各處可用空間中。一個典型的電池模組中有10到24顆電池,多個模組能以不同配置方式組裝,以適用於多種車輛平台。模組化設計簡化了維護和保修問題,並能夠作為非常大型電池組之基礎。模組化設計也允許電池組分散在較大的區域內,以便更有效地利用空間。

要在EV/HEV的高電磁干擾(EMI)環境中支援分佈式的模組化拓撲,需要可靠的通訊系統。隔離式CAN匯流排和凌力爾特的isoSPI為此環境中實現模組互連提供了經過行車驗證的解決方案。

由於CAN匯流排已成功導入汽車應用中,為電池模組互連提供了一種非常成熟的網路,但是還需要一些額外的元件。例如,透過LTC6811的SPI介面部署隔離式CAN匯流排,需要增加一個CAN收發器、一個微處理器和一個隔離器。CAN匯流排的主要缺點是,更多的元件增加了成本和所需的電路板空間。

20170317 Linear TA31P1 圖1:採用CAN匯流排的模組化BMS電子系統

一種能夠代替CAN匯流排的介面是創新的兩線式isoSPI介面。這種isoSPI介面已整合於新式的多電池組監測器(如LTC6811)中,採用簡單的變壓器和單對雙絞線,而不是CAN匯流排所需的4條線。isoSPI介面提供很高的抗雜訊性能,藉由此種介面,眾多模組可透過很長的電纜以菊鏈方式連接,並以高達1Mbps的資料速率運作。

20170317 Linear TA31P2 圖2:採用isoSPI介面以菊鏈方式連接的模組化BMS電子系統

無線BMS

在無線BMS中,每個模組都透過無線連接,而非CAN匯流排電纜或isoSPI雙絞線對互連。凌力爾特目前正展示首款採用無線汽車電池管理系統(BMS)的概念車——BMW i3,該概念車款採用了LTC6811電池組監測器和凌力爾特的SmartMesh無線網格網路產品,以取代電池組和電池管理系統之間的傳統有線連接。這種完全無線BMS的車輛展示代表著一項重大突破,因為對於EV/HEV所採用由多電池組成的大型電池組而言,它提供了改善可靠性、降低成本以及佈線的複雜度。

汽車製造商面臨的挑戰在於必須確保駕駛人既安全又可靠地駕駛EV/HEV。包括凌力爾特等業界供應商正致力於追求超越電池監測IC既有的安全性和可靠性,進一步克服在高度變動的汽車環境中可能產生的連接器、電纜和線束佈線的機械故障。迄今為止,車輛中的金屬和高EMI環境一直被認為太過嚴苛,無法讓無線系統可靠地運作。然而,SmartMesh網路運用多樣化的路徑和頻率繞過障礙物傳送無線資訊,並降低干擾,從而提供了真正冗餘的互連系統。

SmartMesh嵌入式無線網路驗證適於工業物聯網(IIoT)應用,可在嚴苛環境中提供可靠性>99.999%的資料傳輸,例如火車車廂監測、採礦、工業處理廠等環境。無線BMS概念車提供線路可靠性,免於機械連接器故障問題,顯示無線技術可望大幅提升整體系統的可靠性,並進而簡化了汽車電池管理系統的設計。

20170317 Linear TA31P3 圖3:採用SmartMesh網路的模組化BMS電子系統

採用SmartMesh網路的BMS有潛力提供目前有線系統無法實現的新功能。無線網格網路允許彈性化放置電池模組,以及在以往不適合線束佈線的地方安裝感測器。透過簡單地增加支援SmartMesh的感測器,BMS主系統也可以收集與電池充電狀態(SOC)計算準確度有密切關係的其他資料,例如電流和溫度。

SmartMesh能以幾微秒時間自動化實現每個節點的時間同步,並準確地為每個節點的測量值加蓋時間戳記。在車內不同地點進行時間相關測量的能力,對於更準確地計算電池充電狀態(SOC)和健康狀態(SOH)而言,可說是一種強大的功能。在每個模組處具有本地處理能力的SmartMesh節點改善了BMS的運作,還可能實現智慧電池模組,透過該模組提供的診斷和通訊功能提升組裝和服務。

SmartMesh IP無線感測器網路

SmartMesh無線感測器網路產品包括晶片、預先認證的PCB模組,以及網格網路軟體,能夠讓感測器在嚴苛的工業物聯網(IoT)環境中通訊。

SmartMesh產品經過現場驗證,有超過5萬個客戶網路部署在120個國家。透過在嚴苛的 RF環境中提供>99.999%的資料可靠性,SmartMesh無線感測器網路已取得工業IoT供應業者的信任,可在無需干預的情況下連續多年可靠地提供關鍵的感測器和控制資料。

SmartMesh的特點包括:

  • 經過驗證:經過現場驗證,在工業4.0應用中提供>99.999%的可靠性‧可靠:時間同步、通道跳頻網格技術能根據自我診斷功能自動減少故障‧安全:可靠的安全措施包括NIST認證的AES128加密

互連方式的比較

圖4-圖7分別顯示CAN匯流排、isoSPI和SmartMesh網路之間的不同電氣連接方式:

20170317 Linear TA31P4 圖4:採用CAN匯流排的電池監測互連

20170317 Linear TA31P5 圖5:採用isoSPI的電池監測互連

20170317 Linear TA31P6 圖6採用SmartMesh WSN的電池監測互連

20170317 Linear TA31P7 圖7:採用SmartMesh WSN的電池監測和附加感測器的互連

總結

無線BMS的具有多種好處,包括:

  • 排除易於需要維護的連接器、電纜和線束
  • 允許增加新的感測器,進一步提高可靠性
  • 簡化自動組裝和電池維護,為設計者提供額外的機械設計彈性
  • 允許精準地收集時間戳記資料,進一步提升SOC/SOH計算

此外,結合SmartMesh的無線BMS不僅能排除易於需要維護的連接器、電纜和線束,還能透過SmartMesh的可擴展性和時間戳記資料擷取能力擴展BMS功能,並進一步提供高性能的類比與電源解決方案。