電動(dòng)汽車(chē)中的數字電源控制和電池管理策略
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正如亨利·福特于1923年所談到的，“即使節省幾磅的汽車(chē)重量……也意味著(zhù)它們能開(kāi)得更快，并且消耗更少的燃料?！边@個(gè)永恒真理正是鋰電池化學(xué)行業(yè)引領(lǐng)世界向下一代插電式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的理由。
不過(guò)，筆記本電腦鋰離子電池爆炸案在我們的記憶中仍十分清晰，當考慮到電動(dòng)汽車(chē)電池更大的總能量時(shí)，這種印象更是被進(jìn)一步放大。這方面的顧慮及其它因素促進(jìn)了高度智能的電池管理系統(BMS)的發(fā)展。這種電池管理系統需要與大功率電池充電系統通信，以滿(mǎn)足諸如安全、成本、電池壽命、汽車(chē)行程和整夜充電等要求，這是為了達到更低的碳排放和更高的燃油經(jīng)濟性需要做出的讓步。
隨著(zhù)汽車(chē)制造廠(chǎng)商對下一代電池管理和充電系統要求的確定，半導體公司正在推進(jìn)預期能夠滿(mǎn)足這些要求的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)程。本文將討論與插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)中的大功率(>3kW)、離線(xiàn)式電池充電器開(kāi)發(fā)相關(guān)的設計要求、架構及挑戰，并舉例說(shuō)明為何要為這類(lèi)應用創(chuàng )建數字電源架構。
電動(dòng)汽車(chē)設計環(huán)境
電動(dòng)交通工具泛指使用高壓電池和電動(dòng)機進(jìn)行推進(jìn)的車(chē)輛。與僅用內燃機(ICE)提供動(dòng)力的汽車(chē)相比，這種技術(shù)的優(yōu)勢在于，電動(dòng)機在產(chǎn)生扭矩(特別是在加速過(guò)程中)時(shí)要比ICE高效得多。另外，電動(dòng)汽車(chē)可以在剎車(chē)時(shí)回收動(dòng)能，而其它類(lèi)汽車(chē)只能以熱量的形式損耗掉。
混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)與新興的PHEV汽車(chē)不同，它們使用較低容量的電池和電動(dòng)機輔助主要ICE加速。這種混合扭矩加上再生制動(dòng)能力可進(jìn)一步改善燃油利用率，并減少碳排放。
不過(guò)，減少排放還不能完全滿(mǎn)足針對汽車(chē)零排放的最新法律要求。因此，作為新興汽車(chē)PHEV的動(dòng)力完全來(lái)自于清潔電網(wǎng)能量。
所謂的串聯(lián)電動(dòng)汽車(chē)與并聯(lián)HEV不同，不是從兩種來(lái)源混合扭矩。所有推進(jìn)扭矩來(lái)自更大的電動(dòng)機，一般大于80kW。在某些情況下，會(huì )增加一個(gè)小型的、性能經(jīng)過(guò)優(yōu)化的續駛里程ICE，用于解決純電動(dòng)汽車(chē)電池的里程限制問(wèn)題。ICE用作發(fā)電機給電動(dòng)機供電，并給電池充電。不管是在PHEV還是HEV中，增加高壓電池和電動(dòng)機從根本上改變了汽車(chē)的電氣、機械和安全系統。因此最終需要復雜和高度智能的功率電子和電池管理系統。
電池設計挑戰
在過(guò)去一百年左右的時(shí)間內，工程師已經(jīng)使汽油推進(jìn)系統變得十分完善?，F在，OEM及其供應商改變過(guò)去的方式，開(kāi)始組成聯(lián)盟，突破常規，集中力量?jì)?yōu)化電動(dòng)推進(jìn)系統。
電動(dòng)推進(jìn)系統的高成本表現在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和元件復雜度方面，需要采用復雜和容錯性的汽車(chē)智能和功率電子系統連續管理數十千瓦的功率。
在傳統汽油動(dòng)力汽車(chē)中，測量油量是一個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)。根據具體的汽車(chē)，油量表可能只是由連接到一個(gè)發(fā)送部件的加熱線(xiàn)圈所驅動(dòng)的雙金屬條。而在電動(dòng)汽車(chē)中，“油箱”是由串聯(lián)/并聯(lián)的許多電池單元(可能100節或以上)組成的高壓電池。對電荷狀態(tài)(SOC)的精確判斷要求對每節電池進(jìn)行精確的電壓測量(在幾個(gè)毫伏內)。
這是電池管理系統的工作。BMS是一個(gè)高精度的系統，用于向中央處理器報告有關(guān)電池單元的電壓、電流和溫度等詳細信息，然后由中央處理器負責計算電池的SOC。不能精確地測量電池不僅會(huì )誤報電池SOC，還會(huì )縮短電池使用壽命，或產(chǎn)生不安全的、潛在性的災情。
為了避免出現這種情況，業(yè)界開(kāi)發(fā)出了滿(mǎn)足ISO26262之類(lèi)新興標準的IC，它們通過(guò)硬件內置測試功能，以及為電池單元的過(guò)壓/欠壓監視等安全關(guān)鍵功能提供的N+1冗余保護，來(lái)確保系統可靠運作。如果電池組中的一節電池被迫進(jìn)入深度放電狀態(tài)，或被過(guò)度充電，這節電池可能永久性損壞，并可能出現熱失控——自我破壞狀態(tài)。因此，除了主要的電池監視系統外還需要二級保護。
更先進(jìn)的BMS能夠同步電壓和電流測量，并作為連續測量電池阻抗的一種方式。阻抗是電池健康狀態(tài)(SOH)的一個(gè)重要指示。
圖1：針對多電池數量應用的電池管理系統。
圖1顯示了足以用來(lái)測量電池SOC和SOH的典型電池單元配置和BMS。請注意，串聯(lián)電池組中的任何一節電池單元都會(huì )限制整個(gè)電池組容量。換句話(huà)說(shuō)，如果某節電池單元先于其它電池達到了最大或最小電壓，充電或放電周期必須被中斷。(圖中用綠色標示的)單元平衡電路用于確保所有單元被均勻一致地充電和放電
電池充電器基本原理
電動(dòng)汽車(chē)充電器是根據輸出功率/輸入電壓分類(lèi)的。一類(lèi)充電器通常集成在電路板上，輸入的是95V至265V的交流電壓，充電能力在1.5kW和3.3kW之間。專(zhuān)用的二類(lèi)和三類(lèi)充電器工作于240V/480V配線(xiàn)系統，能夠以快得多的速率完成充電，但限于汽車(chē)電池和連接器約束范圍內。例如，SAE J1772是目前北美地區唯一獲得批準的電動(dòng)汽車(chē)連接器標準，功率限制為16.8kW以下。
與用于便攜式電子設備的電池不同，汽車(chē)級電池可以適應大得多的充電電流，而不會(huì )影響電池壽命或接近熱失控。充電器的額定值(C)被定義為流入電池的電流，正比于以安培－小時(shí)(Ah)為單位測量的電池容量。例如，一個(gè)1C充電器以1A的電流給1Ah電池充電。
盡管傳統的鋰離子電池可能限于1C，但一些汽車(chē)電池可以用遠高于這個(gè)限值的電流充電，從而縮短再次充電時(shí)間。事實(shí)上，工作在480V/三相電壓的大功率三類(lèi)充電器，給電動(dòng)汽車(chē)電池充電的時(shí)間與加滿(mǎn)一箱油的時(shí)間相近。
請注意，電動(dòng)汽車(chē)的電池容量一般是用千瓦時(shí)表示，將千瓦時(shí)額定值除以標稱(chēng)電池平坦電壓，可松散關(guān)聯(lián)到電池的安培小時(shí)額定值。例如，將一個(gè)24 KWh的電池從10%充電到滿(mǎn)充狀態(tài)，日產(chǎn)LEAF電動(dòng)汽車(chē)集成的一款3.3kW充電器需要用8個(gè)小時(shí) 。
另外需要注意的是，電動(dòng)汽車(chē)電池的放電深度影響電池單元壽命，因此這種電池在充電周期開(kāi)始時(shí)通常需要保留至少10%的電池容量。
充電器的架構設計
板載充電器必須符合嚴格的電磁兼容性、功率因數和UL/IEC安全標準方面的工業(yè)和政府法規要求。與所有其它的鋰化學(xué)工業(yè)一樣，電動(dòng)汽車(chē)推進(jìn)電池充電器采用恒流、恒壓(CC/CV)充電算法，電池先被可編程的電流源充電，直到它達到電壓設置點(diǎn)，然后轉入穩壓階段，同時(shí)監視電池電流作為充電周期完成的指示。
充電電流(功率)由BMS、混合控制模塊(HCM)和電動(dòng)車(chē)服務(wù)設備協(xié)商確定，具體取決于使用的輸入電壓、溫度和電池SOC/SOH，以及受HCM監視的其它系統考慮因素。這種控制算法的安全性和容錯性不能打任何折扣。
合適的電源架構涉及交錯式功率因數校正(PFC)和隨后的相移全橋電路，如圖2所示?？刂品答亝涤晌⒖刂破鲾底只?。這個(gè)微控制器能夠以數字方式關(guān)閉多個(gè)控制環(huán)路，并精確地調制高壓MOSFET開(kāi)關(guān)。集中和高度智能的控制機制可以應對模擬技術(shù)不易解決的許多問(wèn)題。
圖2：用于連接交錯式PFC和移相橋的數字控制接口。
更先進(jìn)的微控制器集成協(xié)處理器(控制律加速器（CLA）)和多個(gè)高分辨率脈寬調制器(PWM)，前者用于加速控制環(huán)路傳輸函數的運算，后者能夠控制功率開(kāi)關(guān)在150ps內。這種架構能夠動(dòng)態(tài)適應線(xiàn)路和負載的變化，記錄系統操作參數數據，并實(shí)現前瞻性的無(wú)差錯算法，同時(shí)通過(guò)一個(gè)地隔離的控制區域網(wǎng)絡(luò )智能連接所有其它汽車(chē)子系統。
最近在數字電源方面的發(fā)展使得這種方法更加可行，更具成本效益及可擴展性，并且更適合電動(dòng)汽車(chē)中的大功率多相位應用。
針對數字補償和每種可能的電源拓撲的大型、可擴展的模塊化軟件庫可以由有經(jīng)驗的軟件設計師進(jìn)行集成；另外還能獲得與數字和模擬電源解決方案作對比的測試報告。例如，考慮圖2所示的兩相交錯式PFC功能。PFC升壓開(kāi)關(guān)受到實(shí)現多模式PFC的PWM1控制，可以產(chǎn)生電池充電器的兼容電壓。
從圖3可以明顯看出這種拓撲的適應性，其中的數字補償和相位管理模塊在軟件控制下是可變的。采用數字技術(shù)還能使系統不易受噪聲和溫度的影響，同時(shí)智能同步電源級電路，使干擾最小并優(yōu)化濾波器設計。
圖3：大功率PFC方法的軟件模塊化編程。
圖3闡明了升壓PFC的完整代碼模塊性。類(lèi)似的代碼構造可以用零電壓開(kāi)關(guān)實(shí)現移相橋，從而使轉換器開(kāi)關(guān)損耗達到最小，同時(shí)提高效率。級聯(lián)拓撲能夠達到95%以上的充電器效率，并使系統故障容錯性能最大化，系統成本降至最低。
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