混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的電池管理解析

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。

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。

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。

凌力爾特公司(Linear)已經(jīng)推出一款使電池系統設計工程師能夠滿(mǎn)足這些苛刻要求的器件。LTC6802是一個(gè)電池組監視器IC，能測量多達12個(gè)疊置電池的電壓。LTC6802還有內部開(kāi)關(guān)，使電池可以單獨放電，以便它們能與電池組中的其它電池進(jìn)入平衡狀態(tài)。

為說(shuō)明電池組架構，考慮一個(gè)具有96個(gè)鋰離子電池的系統。這將需要8個(gè)LTC6802來(lái)監視整個(gè)電池組，其中每個(gè)器件工作在不同的電壓。當采用4.2V鋰離子電池時(shí)，底端監視器件將跨接在12個(gè)電池上,電位調節范圍為0~50.4V，下一組電池的電壓范圍為50.4V到100.8V，順著(zhù)電池組依此類(lèi)推。這些器件之間在不同的電壓上進(jìn)行通信帶來(lái)了難以克服的挑戰。人們已經(jīng)考慮過(guò)多種方法，但由于汽車(chē)制造商優(yōu)先考慮的重點(diǎn)不同，每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

表：電池監視架構比較。

電池監視要求

在電池監視系統架構之間作抉擇時(shí)，至少有5個(gè)需要平衡的主要要求。它們的相對重要性取決于最終客戶(hù)的需求和期望。

1. 準確性。為了利用可能的最大電池容量，電池監視器需要準確。不過(guò)，汽車(chē)是一種噪聲系統，在很大的頻率范圍內存在電磁干擾。任何的準確性降低都會(huì )對電池組壽命和性能造成有害影響。

2. 可靠性。不管采用何種電源，汽車(chē)制造商必須滿(mǎn)足極高的可靠性標準。此外，高能量容量以及有些電池技術(shù)潛在的不穩定本性是人們擔心的主要安全問(wèn)題。相對于嚴重的電池故障，在保守性條件下執行關(guān)斷操作的故障安全系統更加可取，盡管它有可能使乘客不幸滯留。因此，必須仔細監視和控制電池系統，以在系統中確保對整個(gè)電池壽命期的全面控制。為最大限度減少假的和真的故障，一個(gè)良好設計的電池組系統必須有魯棒的通信，最大限度減少故障模式以及故障檢測。

3. 可制造性?，F代的汽車(chē)已包含大量采用復雜布線(xiàn)線(xiàn)束的電子產(chǎn)品。就汽車(chē)制造而言，增加復雜的電子電路和配線(xiàn)以支持電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)電池系統會(huì )使復雜性更高?？偟慕M件和連接數量必須盡量地少以滿(mǎn)足嚴格的尺寸和重量限制，并確保大批量生產(chǎn)是切實(shí)可行的。

4. 成本。復雜的電子控制系統可能很昂貴，最大限度減少如微控制器、接口控制器、電流隔離器和晶振等成本相對高昂的元件數量可大大降低系統的總成本。

5. 功率。電池監視器本身也是電池的負載，其較低的工作電流可提高系統效率，較低的備用電流可在汽車(chē)熄火后防止電池過(guò)度放電。

電池監視架構

圖1至圖4給出了4種電池監視系統架構。假設一個(gè)由96個(gè)電池組成的系統以12個(gè)電池為一組分成8組，表中對這種情況下的每種架構的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了總結。在每種情況下，一個(gè)LTC6802監視一個(gè)由12個(gè)電池組成的電池組。每種架構都設計為一個(gè)自主的電池監視系統，都提供到汽車(chē)主CAN總線(xiàn)的CAN總線(xiàn)接口，且與汽車(chē)的其余部分是電流隔離的。

1．并行獨立CAN模塊(如圖1)

每個(gè)由12個(gè)電池組成的模塊都含有一個(gè)電路板，板上有LTC6802、微控制器、CAN接口和電流隔離變壓器。系統所需的大量電池監視數據會(huì )使汽車(chē)的主CAN總線(xiàn)崩潰，因此這些CAN模塊需要在局域CAN子網(wǎng)上。CAN子網(wǎng)由主控制器協(xié)調，該控制器還提供至汽車(chē)主CAN總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。

2．具CAN網(wǎng)關(guān)的并行模塊(如圖2)

每個(gè)由12個(gè)電池組成的模塊都含有一個(gè)電路板，板上有LTC6802和數字隔離器。這些模塊與控制器電路板有獨立的接口連接，控制器電路板上含有微控制器、CAN接口和電流隔離變壓器。微控制器協(xié)調這些模塊并提供到汽車(chē)主CAN總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。

3．具CAN網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監視模塊(圖3)

在這種配置中，由12個(gè)電池組成的模塊內部沒(méi)有監視和控制電路，而是在單個(gè)電路板上有8個(gè)LTC6802監視器IC，每個(gè)IC都連接到其電池模塊。LTC6802器件通過(guò)非隔離SPI兼容串行接口通信。單個(gè)微控制器通過(guò)SPI兼容串行接口控制全部電池組監視器，并充當到汽車(chē)主CAN總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。這些再加上CAN收發(fā)器和電流隔離變壓器就形成了完整的電池監視系統。

圖3：具CAN網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監視模塊。

4．具CAN網(wǎng)關(guān)的串行模塊(圖4)

這種架構類(lèi)似于單個(gè)監視模塊，除了每個(gè)LTC6802都在由12個(gè)電池組成的模塊內部的電路板上。這8個(gè)模塊通過(guò)LTC6802非隔離SPI兼容串行接口通信，這需要在電池模塊對之間連接3或4個(gè)傳導電纜。單個(gè)微控制器通過(guò)底部監視器IC控制全部電池組監視器，同時(shí)兼作到汽車(chē)主CAN總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)。這里仍然需要CAN收發(fā)器和電流隔離變壓器以形成完整的電池監視系統。

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