如何對混合動力汽車的高壓電池組進(jìn)行充電控制

綠色革命可能不久就將迎來一場重大勝利。在大規(guī)模的電能成為“可儲存”和“便攜式”能源之時，能量效率將獲得顯著改善，而且可再生能源的推動工作也將取得進(jìn)展。可儲存性和便攜性是液體燃料的主要優(yōu)勢，而通過電池系統(tǒng)提供的電力則擁有提供一種可行替代方案的潛力。電能可在幾乎所有的耗能設(shè)備中使用，而且，電能也可以從幾乎所有的可用能源來產(chǎn)生。核能、太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮芎鸵后w燃料(汽油、柴油、乙醇、氫等等)都能很容易地轉(zhuǎn)換成電能。因此，與石油燃料相比，電力的重大優(yōu)勢是可以利用最具成本效益的解決方案隨時隨地產(chǎn)生能量。對電能的規(guī)范化可以同時實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)，并免除局部燃料消耗所需的基礎(chǔ)設(shè)施。優(yōu)越的電能可儲存性便于發(fā)電(效率最高，且不是“按需”型的)，目前的情況大體如此。例如：風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電未必與峰值功率需求模式相吻合，而可儲存特性則能緩解這個問題有所緩解。優(yōu)越的便攜性允許電能作為汽車(耗能大戶)的能源。隨著時間的推移，其他傾向于使用綠色能源的應(yīng)用肯定將得益于此項(xiàng)技術(shù)。
電動汽車對電池系統(tǒng)的要求
電動汽車為綠色革命提供了一個巨大的發(fā)展機(jī)遇，原因有很多。電動汽車采用電網(wǎng)電力取代了燃?xì)鈩恿?。電網(wǎng)電力的生成效率很高，可以從幾乎所有的能源來獲得。此外，電動汽車的能源使用效率也高于燃油汽車。大多數(shù)汽車在運(yùn)行時將經(jīng)歷一個“加速、減速和空轉(zhuǎn)”的連續(xù)周期。相比之下，易變的負(fù)載(比如加速或減速)更有利于電動馬達(dá)(而非燃油引擎)，因?yàn)樗诘退贄l件下提供了高轉(zhuǎn)矩。燃油引擎的工作效率只在一個很窄的速度/負(fù)載范圍內(nèi)達(dá)到最高，而且為滿足峰值加速的需要，它必須是超大型的。用于把汽油能量轉(zhuǎn)換為動能的引擎效率通常為 20%，而電動馬達(dá)將電能轉(zhuǎn)換為動能的過程中可以實(shí)現(xiàn) 90%的典型效率。此外，電動馬達(dá)還無須在停靠時因?yàn)榭辙D(zhuǎn)而無謂地消耗能量，而且電動系統(tǒng)還具備通過再生制動來恢復(fù)機(jī)械能的潛力。通過電動汽車的典型能耗成本僅為0.013美元/英里這一事實(shí)，便能看出能量效率的整體改善情況。
遺憾的是，在現(xiàn)今的市場上，純電動汽車還不是一種可行的解決方案，因?yàn)槠湫旭偩嚯x受限于車上所能儲存的能量。如今常見的電池組在充電8小時之后能夠讓一輛電動汽車行駛100英里。而一個普通的汽車油箱則能為一輛標(biāo)準(zhǔn)汽車提供300英里的行駛距離，且只需幾分鐘的時間就能完成加油。如果想得到美國消費(fèi)者的廣泛接受，那么電動汽車必須延長行駛距離和/或縮短再充電時間。應(yīng)運(yùn)而生的解決方案是“油電混合動力車”，它把燃油引擎和電動傳動系統(tǒng)組合起來，以提供足夠的行駛距離，同時仍然擁有綠色能源的大多數(shù)好處。油電混合動力車采用車載燃?xì)庖?用于電池充電)，并在需要時在最有效的速度/轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)操作該引擎。
毫無疑問，電動汽車的成功將有助于其它應(yīng)用的高性能電池系統(tǒng)找到屬于自己的生存空間，從而推進(jìn)其價(jià)格的下降和性能的提升。對于局部發(fā)電(包括小型光伏或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng))，電池可以起到至關(guān)重要的平衡作用，且當(dāng)可以使用電網(wǎng)電力時，它還能充當(dāng)一個后備電源系統(tǒng)。目前的電池系統(tǒng)相當(dāng)昂貴而且龐大，且存在可靠性和安全方面的問題。下一代電池系統(tǒng)將提供較高的能量密度，旨在實(shí)現(xiàn)外形較小、價(jià)格較低、可靠性和安全性更高的解決方案。
高電壓電池組的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
對于大功率電池應(yīng)用而言，鋰離電池可作為首選的化學(xué)電池，主要因?yàn)樗哪芰棵芏雀?。?dāng)今的電動汽車和油電混合動力車采用的是NiMH電池，如果采用鋰離子電池將使其能量儲存密度提高400%。然而，為了使鋰離子電池在多達(dá)數(shù)千次的充放電循環(huán)過程中保持可靠，電池系統(tǒng)必須解決諸多技術(shù)難題。
鋰離子電池的性能取決于電池溫度和使用期限、電池充電和放電速率以及充電狀態(tài)(SOC)。這些因素并不是獨(dú)立的。例如：鋰離子電池在放電時將產(chǎn)生熱量，從而增加放電電流。這有可能形成熱失控狀態(tài)，并導(dǎo)致災(zāi)難性故障的發(fā)生。此外，把鋰離子電池充電至100% SOC或放電至0%SOC將迅速降低其容量。因此，必須將鋰離子電池的操作限制在某個SOC范圍內(nèi)，比如20%至80%，此時的可用容量僅為規(guī)定容量的60%。不僅如此，鋰離子電池還具有平坦的放電曲線(圖1)，其中1%的SOC變化可能僅表現(xiàn)為數(shù)毫伏的電壓差異。為充分利用電池的可用電壓范圍，電池系統(tǒng)必須非常準(zhǔn)確地監(jiān)視電池電壓(它直接對應(yīng)于SOC)。

圖1：典型的鋰離子電池放電曲線。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/328892.htm除了鋰離子電池的敏感特性之外，把電池組合在一起的方法也是一個重要的考慮因素。如欲從一個電氣系統(tǒng)(比如用于給車輛加速所需的電氣系統(tǒng))來提供有效的功率，則需高達(dá)數(shù)百伏的電壓。舉例來說，在1V電壓條件下輸送1kW功率需要1,000A電流，而在100V電壓條件下輸送1kW功率則僅需10A電流。系統(tǒng)布線和互連線中的固有電阻將轉(zhuǎn)換成IR損耗，因此設(shè)計(jì)師需采用切實(shí)可行的最高電壓/最低電流。
對于一個基于電池的系統(tǒng)(典型鋰離子電池具有4.2V的滿充電電壓)，必須采用串聯(lián)方式將許多電池連接在一起。請注意，作為一長串電池的一部分，任何單個電池發(fā)生故障都將導(dǎo)致整個電池組無法使用，而且在電池串中每添加一個電池都會增加這種風(fēng)險(xiǎn)。
采用鋰離子電池來制作一個高電壓電池組的挑戰(zhàn)并非微不足道。不能像對待單個電源那樣來對一個鋰離子電池組進(jìn)行充電和放電。對于那些容量略小的電池而言，在經(jīng)過多個充電和放電周期之后，其SOC將逐漸與其他電池產(chǎn)生偏差。如果不對每個電池的SOC進(jìn)行周期性的均衡或平衡處理，那么有些電池最后將發(fā)生過度充電或過度放電的現(xiàn)象，從而造成受損，并最終導(dǎo)致整個電池組發(fā)生故障。因此，一個電池控制系統(tǒng)必須謹(jǐn)慎地管理每個電池。
這個問題可以劃分為數(shù)據(jù)采集和控制兩個方面?？刂品矫姘ǜ鶕?jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)來對每個電池進(jìn)行充電和放電的算法和方法。這在很大程度上取決于具體應(yīng)用，且常常涉及那些受到嚴(yán)密保護(hù)的知識產(chǎn)權(quán)。數(shù)據(jù)采集通過電池組接口來完成，該接口必須沿著高電壓電池組快速而準(zhǔn)確地測量每個電池的電壓。這需要具備從一個0V至1,000V以上(當(dāng)提升電池組電壓時)的共模電壓來抽取一個小差分電壓的能力。這是一個棘手的難題，需要多種高性能模擬功能。
基于高性能多節(jié)電池監(jiān)視IC的方案
凌力爾特(Linear)公司的LTC6802可處理大型電池組的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，而且特別適合于鋰離子電池。LTC6802可與一個包括多達(dá)12個單獨(dú)電池的電池串中的每個電池直接相連。通過一個獨(dú)特的電平移位串行接口把多個LTC6802器件串聯(lián)起來(無需使用光耦合器或光隔離器)，可實(shí)現(xiàn)長串串接電池中每節(jié)電池的精準(zhǔn)電壓監(jiān)視。當(dāng)把多個LTC6802器件串聯(lián)起來，它們就能夠同時工作，快速而準(zhǔn)確地完成電池組中所有電池的電壓測量。電壓測量準(zhǔn)確度高于99.75%，且一個電池組中所有電池的電壓測量都能在13ms的時間之內(nèi)完成?？擅抗?jié)電池均進(jìn)行了欠壓和過壓條件監(jiān)視，并提供一個相關(guān)聯(lián)的MOSFET開關(guān)，用來對過充電電池進(jìn)行放電。
每個LTC6802通過一個支持廣播和編址命令的1MHz串行接口進(jìn)行通信。另外，該器件還包括兩個熱敏電阻輸入、兩個GPIO線和一個5V穩(wěn)壓器。該器件對充滿挑戰(zhàn)性的汽車環(huán)境進(jìn)行了特殊的考慮。LTC6802專為在工業(yè)溫度范圍內(nèi)工作而設(shè)計(jì)，具有高 ESD、EMI和噪聲免疫力，并內(nèi)置診斷和自測試功能。
這款高集成度、高性能多節(jié)電池監(jiān)視IC解決了當(dāng)今先進(jìn)電池系統(tǒng)所面臨的諸多問題。由于可在整個工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行高精度的電壓測量，它使得電池能在其整個可用SOC范圍內(nèi)使用，不用擔(dān)心電池會超出這些限值。這種魯棒性將使該器件能夠在汽車環(huán)境中可靠地工作。此外，高集成度還可使電池系統(tǒng)滿足苛刻的成本、空間和可制造性約束條件。

圖2：高性能多節(jié)電池監(jiān)視IC LTC6802的應(yīng)用方框圖。

本文小結(jié)
經(jīng)過了多年的努力和穩(wěn)步發(fā)展之后，高能量電池系統(tǒng)不久就能滿足人們?nèi)粘Ｊ褂玫男枰?，尤其是能作為電動汽車和油電混合動力車的一部分。該技術(shù)有望在全球范圍內(nèi)大幅度地提升能量效率，并使人們更加重視替代能源。在實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)之前，必須解決諸多層面的技術(shù)問題，以構(gòu)建實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和可靠的電池系統(tǒng)。凌力爾特的LTC6802便是解決其中一個主要問題的產(chǎn)品。這款電池監(jiān)視IC把數(shù)據(jù)采集任務(wù)的處理電路集成在單個器件之中，支持非常長的電池串。隨著電動汽車和油電混合動力車的走向成功，具有成本效益的高性能電池系統(tǒng)很快將實(shí)現(xiàn)眾多的綠色技術(shù)應(yīng)用。