從幾毫伏到數(shù)英里：電池管理集成電路 （IC） 如何影響汽車性能

　　我對(duì)電動(dòng)汽車的喜愛(ài)是顯而易見(jiàn)的。我開(kāi)全電動(dòng)汽車已經(jīng)有四年多的時(shí)間了，行駛里程有60000英里，大約100000公里。我選擇電動(dòng)汽車的原因有很多，不過(guò)歸根結(jié)底是因?yàn)殡妱?dòng)汽車真的很棒。它安靜得出奇，它的加速性能無(wú)人能敵，也不需要更換機(jī)油，而且想去哪兒就去哪兒，根本不用考慮速度或時(shí)間對(duì)于行駛里程的影響。

　　從4節(jié)串聯(lián)（微型混動(dòng)汽車），到12-16節(jié)串聯(lián)電池（輕度混合汽車），直到96節(jié)串聯(lián)電池（電動(dòng)和混動(dòng)汽車），根據(jù)汽車技術(shù)規(guī)格的不同，會(huì)有一節(jié)或很多節(jié)并聯(lián)電池。然而，從IC的角度出發(fā)，串聯(lián)電池節(jié)的數(shù)量才是關(guān)鍵點(diǎn)，并聯(lián)電池節(jié)數(shù)量可根據(jù)需要隨意確定。電池管理系統(tǒng) （BMS） 是駕駛員、汽車和電池之間的重要紐帶。BMS包含監(jiān)視和保護(hù)電池的電子元器件。我經(jīng)常對(duì)這些電池管理電子元器件的性能感到好奇，特別是諸如bq76PL455A-Q1的電源管理IC的性能到底怎么樣；實(shí)際上，正是這款器件使我的汽車能夠正常行駛的同時(shí)，還提升了車輛的性能。作為駕駛員，我急需知道電池的續(xù)航里程，以及汽車充電完成的時(shí)間。我還想知道，我的電池狀態(tài)是不是良好。我也很樂(lè)意知道我的汽車可以快速加速。我們來(lái)看看IC所具有的不同技術(shù)規(guī)格如何幫助實(shí)現(xiàn)我所需要的功能。

　　續(xù)航里程和加速

　　續(xù)航里程是另外一個(gè)了解電池剩余電荷的方法，這一參數(shù)被稱為電荷狀態(tài) （SoC）。有手機(jī)的人都知道，電池的容量會(huì)隨著時(shí)間的推移而逐漸下降。一個(gè)電池在一個(gè)指定時(shí)間點(diǎn)上能夠保存的最大電荷量被稱為健康狀態(tài) （SoH）。計(jì)算SoH和SoC的方法有很多（請(qǐng)查看TI Impedance Track™ 技術(shù)），而這些方法都會(huì)計(jì)算電池電壓、電池溫度和電池組電流。

　　某些鋰離子化學(xué)電池，比如說(shuō)磷酸鋰鐵電池，SoC相對(duì)于電池電壓的曲線非常平緩。電池電壓中的一個(gè)小誤差就有可能導(dǎo)致SoC估算中的巨大誤差。

　　一個(gè)LiFEPO4電池的SoC曲線

　　監(jiān)視需要測(cè)量電壓、電流和溫度。諸如bq76PL455A-Q1的監(jiān)視IC，對(duì)于大約4.5V的電池電壓，它在0°C至65°C溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度值為2mV，在-40°C至105°C溫度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度值為4mV，通常情況下，電池電壓精度在很大程度上取決于輸入電壓。請(qǐng)注意，我在這里討論的是真正的準(zhǔn)確度：這個(gè)準(zhǔn)確度包括所有由回流焊和前幾個(gè)熱循環(huán)所導(dǎo)致的偏移。有時(shí)候，數(shù)據(jù)表技術(shù)規(guī)格會(huì)與你在電路板上看到的值大不相同。加速也與SoC密切相關(guān)，由于電池電壓下降，所以電池能夠產(chǎn)生的最大功率也下降了。任一SoC上的過(guò)多電流，特別是在處于低SoC時(shí)，都會(huì)加速電池的老化。

　　安全性

　　到目前為止，電池在汽車中的應(yīng)用已經(jīng)有150年的歷史了，所以汽車廠商也在這方面提供幫助。他們是如何做到的呢？汽車停止充電和放電的時(shí)間恰到好處。通常情況下，一個(gè)BMS具有一個(gè)單獨(dú)的保護(hù)器——這是一組比較器，它們檢查每節(jié)電池的電壓，并且確保電池電壓在正確的范圍內(nèi)。如果監(jiān)視器或保護(hù)器檢測(cè)到一節(jié)電池處于過(guò)壓閥值上或者欠壓狀態(tài)，那么充電或放電將終止。如果監(jiān)視器或保護(hù)器少報(bào)電壓，另外一個(gè)將停止充電放電。

　　事實(shí)上，雖然故障很少發(fā)生，但是大多數(shù)汽車廠商都將他們的大部分時(shí)間花費(fèi)在汽車的安全性開(kāi)發(fā)上。這也是為什么一個(gè)IC具有如此之多的自我診斷特性，并且一個(gè)監(jiān)視器能夠診斷絕大部分系統(tǒng)的原因。例如，bq76PL455A-Q1能夠檢查線路斷開(kāi)，同時(shí)具有內(nèi)置自檢以驗(yàn)證已定義的內(nèi)部功能，并且能夠以多種方法在安全性方面為用戶提供幫助。

　　成本

　　與我對(duì)電動(dòng)汽車的鐘愛(ài)程度一樣，我也很希望電動(dòng)汽車能夠再便宜一些。很明顯，在汽車成本中，電池占了很大份額。減少成本的最簡(jiǎn)單方法就是少花錢(qián)多辦事。在電池應(yīng)用領(lǐng)域中，這就意味著更小的保護(hù)帶，而反過(guò)來(lái)，也就表示需要更多精確的監(jiān)視器和保護(hù)器。通常情況下，保護(hù)器不如監(jiān)視器精確，所以，實(shí)際上是保護(hù)器的準(zhǔn)確性拉高了保護(hù)帶數(shù)量。

　　主動(dòng)和被動(dòng)電池節(jié)均衡是另外一個(gè)重要特性。如果沒(méi)有電池均衡，那么大容量電池會(huì)很快失效。當(dāng)?shù)谝还?jié)電池?zé)o電時(shí)，放電驅(qū)動(dòng)停止。當(dāng)?shù)谝还?jié)電池充滿時(shí)，充電停止。在沒(méi)有均衡的情況下，第一節(jié)完全放電的電池與第一個(gè)充滿電的電池互不相干；電池均衡減少了這兩節(jié)電池之間的電荷差異。被動(dòng)均衡在這方面的表現(xiàn)很不錯(cuò)，事實(shí)上，你可以拿一個(gè)不可用的電池組，并且對(duì)其進(jìn)行一次均衡以消除漂移效應(yīng)。然而，隨著時(shí)間的推移，電池節(jié)的容量能夠保持的電荷數(shù)量也會(huì)發(fā)生改變，并且容量擴(kuò)散會(huì)隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越大。

　　還有另外幾個(gè)方法能夠使汽車廠商降低成本。第一代系統(tǒng)通常使用控制器局域網(wǎng) （CAN） IC和隔離器，用于與主機(jī)控制器通信。這是一種比較昂貴的通信方式。更新一代的IC擁有經(jīng)改進(jìn)的通信方式。在無(wú)需隔離器的情況下，通過(guò)隔離式差分通用異步接收器/發(fā)射器 （UART）來(lái)完成通信，數(shù)個(gè)bq76PL455A-Q1能夠以菊花鏈配置進(jìn)行通信。價(jià)格低廉的電容器能夠幫助你實(shí)現(xiàn)隔離。

　　集成的監(jiān)視器和保護(hù)器，以及每個(gè)IC能夠監(jiān)視越來(lái)越多的電池節(jié)數(shù)量也有助于進(jìn)一步降低成本。bq76PL455A-Q1能夠監(jiān)視多達(dá)16節(jié)電池，并且具有一個(gè)集成式保護(hù)器，從而極大地降低了系統(tǒng)成本，特別是對(duì)于48V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更是如此，因?yàn)閱蝹€(gè)IC能夠替代多達(dá)4個(gè)IC、2個(gè)12節(jié)監(jiān)視器和2個(gè)12節(jié)保護(hù)器。

　　當(dāng)我駕車時(shí)，我對(duì)汽車電池組內(nèi)所具有的業(yè)內(nèi)最佳技術(shù)水平而感到高興。我也很愿意駕駛一輛具有更好、更加精確電池管理IC的汽車駛向未來(lái)。
　作者：Stefano Zanella