混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的電池管理架構分析

用于電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)的電池技術(shù)已經(jīng)獲得了顯著(zhù)進(jìn)步，不但電池能量密度已穩步提高，而且電池還能可靠地充電和放電數千次。如果設計工程師能有效利用這些技術(shù)進(jìn)步，那么就成本、可靠性和壽命而言，電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)就有潛力與傳統汽車(chē)競爭。

一個(gè)電池規定的容量是指電池從100%充電狀態(tài)到零充電狀態(tài)所能提供的電量。充電到100%充電狀態(tài)或放電到零充電狀態(tài)會(huì )迅速縮短電池壽命，因此應該仔細管理電池以避免完全充電或完全放電狀態(tài)。與工作在30%~70%的充電狀態(tài)之間(利用40%的容量)相比，工作在10%充電狀態(tài)到90%充電狀態(tài)之間(利用80%的規定容量)可以將電池的充電循環(huán)總次數減少到原來(lái)的1/3或更低。

在有效電池容量和電池壽命之間進(jìn)行平衡給電池系統設計工程師帶來(lái)了挑戰?？紤]前文提到的利用40%容量與利用80%容量的情況。如果系統將電池為限制為僅使用其40%容量，以便使電池壽命延長(cháng)到原來(lái)的3倍，那么電池尺寸必須增大1倍以獲得與利用80%容量情況下一樣多的可用容量。但這會(huì )使電池系統的重量和體積增大1倍，從而提高成本并降低效率。

汽車(chē)制造商一般要求電池壽命超過(guò)10年，且對必需的可用電池容量做了規定。電池系統設計工程師面臨的挑戰是必須竭盡所能用最小的電池組實(shí)現最大的容量。為達到這個(gè)目標，電池系統必須采用精密的電子電路仔細控制和監視電池。

電動(dòng)汽車(chē)電池組系統

電動(dòng)汽車(chē)電池組由多個(gè)電池串聯(lián)疊置組成。一個(gè)典型的電池組大約有96個(gè)電池，充電到4.2V的鋰離子電池而言，這樣的電池組可產(chǎn)生超過(guò)400V的總電壓。盡管汽車(chē)電源系統將電池組看作單個(gè)高壓電池，每次都對整個(gè)電池組進(jìn)行充電和放電，但電池控制系統必須獨立考慮每個(gè)電池的情況。如果電池組中的一個(gè)電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過(guò)多個(gè)充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。如果這個(gè)電池的充電狀態(tài)沒(méi)有周期性地與其它電池平衡，那么它最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而導致?lián)p壞，并最終形成電池組故障。為防止這種情況發(fā)生，每個(gè)電池的電壓都必須監視，以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個(gè)裝置讓電池單獨充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。

圖1：并行獨立CAN模塊。

電池組監視系統的一個(gè)重要考慮因素是通信接口。就PC板內的通信而言，常用的選項包括串行外設接口(SPI)總線(xiàn)、I2C總線(xiàn)，每種總線(xiàn)的通信開(kāi)銷(xiāo)都很低，適用于低干擾環(huán)境。另一個(gè)選項是控制器局域網(wǎng)(CAN)總線(xiàn)，這種總線(xiàn)在汽車(chē)應用中被廣泛使用。CAN總線(xiàn)非常魯棒，具有誤差檢測和故障容限特性，但是它的通信開(kāi)銷(xiāo)很大，材料成本也很高。盡管從電池系統到汽車(chē)主CAN總線(xiàn)的連接是值得要的，但在電池組內采用SPI或I2C通信是有優(yōu)勢的。

圖2：具CAN網(wǎng)關(guān)的并行模塊。