電動(dòng)汽車(chē)電源設計挑戰:高壓鋰離子電池組管理系

在雪佛蘭Volt轎車(chē)的中心有一個(gè)復雜的電源組管理系統，用于確保給Volt傳動(dòng)系統提供電源的多單元鋰離子電池組的安全性和可靠性。

這個(gè)管理系統內的電池監視板使用了兩個(gè)關(guān)鍵的子系統來(lái)可靠地監視電池健康狀況，并向主處理器提供數字結果，然后由主處理器協(xié)調系統的整體操作。將這兩個(gè)子系統分開(kāi)來(lái)可以看到一個(gè)信號接口，它能確保高壓電池檢測電路和板載通信器件之間有良好的隔離。

在這份拆解報告中，我們回顧了與汽車(chē)應用中的高壓鋰離子電池組管理有關(guān)的挑戰，并討論了雪佛蘭Volt電池組管理系統的總體架構如何能滿(mǎn)足這些挑戰要求。特別是，我們討論了鋰離子電池監視方面的要求，重點(diǎn)放在電池監視子系統、數字通信子系統和隔離接口中使用的架構和元件。我們還詳細審視了為這個(gè)設計選用的部件，包括定制ASIC、飛思卡爾的S9S08DZ32、安華高的ACPL-M43T和英飛凌的TLE6250G。最后，我們討論了這種針對任務(wù)關(guān)鍵型電池組管理提出的特定解決方案的優(yōu)勢，并對可以滿(mǎn)足類(lèi)似設計挑戰的可能替代方案進(jìn)行了權衡考慮。

為了提供汽車(chē)電池管理系統中隔離作用的更多信息，我們還提供了三個(gè)系列深度視頻采訪(fǎng)報道。

第1部分：介紹汽車(chē)電池管理系統中隔離的作用；

第2部分：討論為這些應用選擇器件時(shí)的一些考慮因素；

第3部分：探討雪佛蘭Volt電池管理系統中隔離器件的使用。

電動(dòng)汽車(chē)挑戰

雪佛蘭Volt是第一批生產(chǎn)的電池動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(EV)，僅靠電池可以行駛近40英里。當電池電量接近低位極限時(shí)，可以啟動(dòng)汽油發(fā)動(dòng)機產(chǎn)生額外電能，進(jìn)而將汽車(chē)行駛距離擴大到幾百英里。在Volt轎車(chē)的中心有一個(gè)鋰離子電池組，長(cháng)度為1.8米，重181公斤，可以產(chǎn)生16kWh的功率，足以啟動(dòng)驅動(dòng)電機、給乘用設備供電，并給復雜的電池管理系統供電。這種管理系統的復雜性與飛行系統相當。

IBM高級副總裁Robert LeBlanc指出，Volt軟件內容有1000萬(wàn)行代碼，超過(guò)了據說(shuō)飛行美國DOD F-35閃電2型聯(lián)合作戰飛機的750萬(wàn)行代碼——這個(gè)軟件規模本身就超過(guò)了目前噴氣式戰斗機代碼規模的3倍，據美國政府問(wèn)責辦公室透露。雖然LeBlanc可能選取了一個(gè)爭議較少的系統進(jìn)行比較，但Volt確實(shí)引發(fā)了很多有關(guān)于自身的爭議。也許還沒(méi)有其它汽車(chē)得到過(guò)像Volt這樣的關(guān)注度。事實(shí)上，當Volt測試車(chē)輛在停放數周后進(jìn)行的測試碰撞中發(fā)生起火，這個(gè)事件馬上會(huì )引起政府機構的關(guān)注，并引發(fā)通用汽車(chē)的回購——即便在“實(shí)際碰撞事故”之后沒(méi)有發(fā)生與電池有關(guān)的起火問(wèn)題，美國國家高速交通安全管理局表示。

最終Volt的成功依賴(lài)于公眾的接受程度——和它的功能。為了達到這個(gè)目的，在設計Volt時(shí)，通用汽車(chē)與IBM合作對Volt中的“系統之系統”性能進(jìn)行了仿真。通過(guò)使用關(guān)鍵系統的詳細模型，IBM軟件不僅驗證了行為，甚至產(chǎn)生了Volt系統中使用的軟件代碼的關(guān)鍵部分。由于確保最佳鋰離子電池性能和壽命需要復雜的算法，所以這種代碼生成和系統建模的方法對確保Volt電池管理系統的性能而言至關(guān)重要；事實(shí)上，優(yōu)化這種電池的性能仍然是業(yè)界、政府和學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的研究課題。對于Volt來(lái)說(shuō)，確保電池性能可以使最終的多板設計(圖1)能夠將多個(gè)嵌入式系統的工作整合成單一完整系統，進(jìn)而滿(mǎn)足對Volt鋰離子電池組提出的行駛距離、安全性、性能和更長(cháng)壽命的要求。

圖1：雪佛蘭Volt電池管理系統將所有功能劃分為用多塊PCB實(shí)現的多個(gè)子系統。這次拆解的重點(diǎn)是電池接口控制模塊——上圖從右數第2欄中的紅色、藍色和綠色電路板。(UBM TechInsights提供)

鋰離子電池特性

用于滿(mǎn)足Volt性能、安全性和可靠性要求所需的復雜系統與鋰離子電池的特性直接相關(guān)。在鋰離子電池放電時(shí)，鋰在(典型的)石墨陽(yáng)極中發(fā)生電離，鋰離子進(jìn)入電解液并穿過(guò)隔離膜到達陰極，進(jìn)而產(chǎn)生電荷流動(dòng)。充電過(guò)程與之相反，鋰離子從陰極進(jìn)入電解液并穿過(guò)隔離膜流回陽(yáng)極。

這種化學(xué)過(guò)程的性能和可靠性取決于電池的溫度和電壓。在低溫環(huán)境下，化學(xué)反應緩慢，因此會(huì )降低電池電壓。隨著(zhù)溫度的上升，反應速度會(huì )加快，直到鋰離子電池成份開(kāi)始分解。當溫度高于100℃時(shí)，電解液開(kāi)始分解并釋放氣體，在沒(méi)有壓力釋放機制的電池內將造成壓力的堆積。在足夠高溫度下，鋰離子電池可能發(fā)生熱失控，同時(shí)伴隨著(zhù)氧化物的分解和氧氣的釋放，繼而進(jìn)一步加速溫度上升。

據此，使鋰離子電池保持在最佳工作狀態(tài)是Volt電池管理系統的一個(gè)關(guān)鍵要求。Volt工程師的問(wèn)題是要確?？煽康臄祿占头治?，以便正確地監視和控制汽車(chē)中的鋰離子電池狀態(tài)——這個(gè)問(wèn)題由于鋰離子電池自身的特性而變得更加嚴重。

我們的鋰離子電池技術(shù)有個(gè)特點(diǎn)，即在給定的溫度和輸出電流值條件下，鋰離子電池能夠在其容量范圍的中段保持近似平坦的電壓輸出(圖2)。雖然這個(gè)特性提高了鋰離子電池作為一種能源的優(yōu)勢，但也使工程師試圖使用簡(jiǎn)單的電池電壓測量方法向用戶(hù)提供保持電池電量或荷電狀態(tài)(SOC)的手段變得復雜起來(lái)。對于Volt汽車(chē)司機來(lái)說(shuō)，精確地SOC測量是準確估計汽車(chē)剩余可行駛里程的關(guān)鍵。事實(shí)上，在新興的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)中，“里程焦慮”是阻礙電動(dòng)汽車(chē)普及和銷(xiāo)量攀升的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此精確描述SOC非常重要。

圖2：在給定溫度和放電電流值條件下，像松下CGR18650CG這樣的鋰離子電池在放電范圍的中間部分具有接近平坦的輸出電壓。這對能源來(lái)說(shuō)是一種優(yōu)勢，但對需要精確測量荷電狀態(tài)(SOC)的工程師來(lái)說(shuō)增加了設計復雜性。(松下公司提供)

此外，將SOC保持在特定范圍內對于延長(cháng)電池壽命而言也很重要。電池的荷電狀態(tài)太低或太高都將比保持在中間值更快地發(fā)生性能劣化，而中間這個(gè)特定范圍一般是根據經(jīng)驗得到的。如果允許完全放電，鋰離子電池成分性能將開(kāi)始惡化，并導致永久損壞。如果允許將鋰離子電池充電到推薦的上限電壓之上，電池可能會(huì )發(fā)生過(guò)熱，或造成結構的永久變形。

在Volt中，通用汽車(chē)公司工程師建立了58%至65%的安全SOC窗口，并且可以根據駕駛模式進(jìn)行調整。在正常駕駛模式下可以將下限設置為30% SOC，在“山地駕駛”模式下，可以將下限設為更高的45%，以確保有足夠的電量上坡，延長(cháng)行駛時(shí)間。當Volt達到合適的SOC下限時(shí)，汽車(chē)的汽油發(fā)動(dòng)機將被啟動(dòng)，從而延長(cháng)行駛距離。
由于對鋰離子電池的荷電狀態(tài)(SOC)測量不是很可靠，工程師只能進(jìn)行SOC估計，一般采用基于電流或基于電壓的方法進(jìn)行。

基于電流的方法可以提供最精確的結果。這樣的方法會(huì )跟蹤荷電的變化，實(shí)質(zhì)上是計算充電過(guò)程中增加到電池的庫侖數或在放電周期中減去的庫侖數，然后判斷相對于滿(mǎn)充狀態(tài)電池的SOC。然而，自放電損失或電池本身的低效有可能使“庫侖計數”方法出現錯誤。另外，因為連續監視對許多應用來(lái)說(shuō)不切實(shí)際，因此庫侖計數法需要使用采樣方法。在汽車(chē)應用中，這種方法必須足夠快，并能自動(dòng)跟蹤與加速有關(guān)的快速放電以及與再生制動(dòng)有關(guān)的快速充電。

基于電壓的方法將電池的瞬態(tài)電壓輸出作為進(jìn)一步計算的基礎來(lái)估算SOC，它考慮了電池溫度、老化、電流輸出和放電速率等變化因素。當與單節鋰離子電池在多種工作條件下的精確表征數據一起使用時(shí)，電壓法可以提供精確的SOC估計結果。對于像Volt這樣的產(chǎn)品化汽車(chē)來(lái)說(shuō)，維護過(guò)程需要精確的電池表征，并需要提供特定的工具和程序，使電池管理系統能學(xué)習新電池模塊的容量——或在必要時(shí)重新學(xué)習電池容量。

鋰離子電池的化學(xué)物質(zhì)

鋰離子電池包含多種化學(xué)物質(zhì)，每一種在能量密度、效率、耐用性和標稱(chēng)電池電壓方面具有不同的特性。LG Chem公司為Volt制造的電池使用了本公司的錳尖晶石陰極鋰離子化學(xué)物質(zhì)以及專(zhuān)有的安全加強型隔離膜——陶瓷涂覆的半透膜。從整個(gè)行業(yè)看，鋰離子電池被制造成多種形式，包括大家熟悉的圓柱體；移動(dòng)電話(huà)中使用的扁平封裝；硬塑棱形封裝。用于Volt的LG Chem原裝電池使用棱形封裝。

正如UBM TechInsights和Munro Associates的分析師描述的那樣，整個(gè)雪佛蘭Volt電池組由288節棱形鋰離子電池組成，這288節電池又被封裝成96個(gè)電池單元組，最終提供分析師測量到的386.6V直流系統電壓。這些電池單元組還要與溫度傳感器和冷卻單元組合在一起形成4個(gè)主電池模塊。連接每個(gè)電池組的電壓檢測線(xiàn)端