電動汽車電源設計挑戰(zhàn):高壓鋰離子電池組管理系

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

這個管理系統(tǒng)內(nèi)的電池監(jiān)視板使用了兩個關鍵的子系統(tǒng)來可靠地監(jiān)視電池健康狀況，并向主處理器提供數(shù)字結(jié)果，然后由主處理器協(xié)調(diào)系統(tǒng)的整體操作。將這兩個子系統(tǒng)分開來可以看到一個信號接口，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，我們回顧了與汽車應用中的高壓鋰離子電池組管理有關的挑戰(zhàn)，并討論了雪佛蘭Volt電池組管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如何能滿足這些挑戰(zhàn)要求。特別是，我們討論了鋰離子電池監(jiān)視方面的要求，重點放在電池監(jiān)視子系統(tǒng)、數(shù)字通信子系統(tǒng)和隔離接口中使用的架構(gòu)和元件。我們還詳細審視了為這個設計選用的部件，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關鍵型電池組管理提出的特定解決方案的優(yōu)勢，并對可以滿足類似設計挑戰(zhàn)的可能替代方案進行了權(quán)衡考慮。

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

第1部分：介紹汽車電池管理系統(tǒng)中隔離的作用；

第2部分：討論為這些應用選擇器件時的一些考慮因素；

第3部分：探討雪佛蘭Volt電池管理系統(tǒng)中隔離器件的使用。

電動汽車挑戰(zhàn)

雪佛蘭Volt是第一批生產(chǎn)的電池動力電動汽車(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，可以啟動汽油發(fā)動機產(chǎn)生額外電能，進而將汽車行駛距離擴大到幾百英里。在Volt轎車的中心有一個鋰離子電池組，長度為1.8米，重181公斤，可以產(chǎn)生16kWh的功率，足以啟動驅(qū)動電機、給乘用設備供電，并給復雜的電池管理系統(tǒng)供電。這種管理系統(tǒng)的復雜性與飛行系統(tǒng)相當。

IBM高級副總裁Robert LeBlanc指出，Volt軟件內(nèi)容有1000萬行代碼，超過了據(jù)說飛行美國DOD F-35閃電2型聯(lián)合作戰(zhàn)飛機的750萬行代碼——這個軟件規(guī)模本身就超過了目前噴氣式戰(zhàn)斗機代碼規(guī)模的3倍，據(jù)美國政府問責辦公室透露。雖然LeBlanc可能選取了一個爭議較少的系統(tǒng)進行比較，但Volt確實引發(fā)了很多有關于自身的爭議。也許還沒有其它汽車得到過像Volt這樣的關注度。事實上，當Volt測試車輛在停放數(shù)周后進行的測試碰撞中發(fā)生起火，這個事件馬上會引起政府機構(gòu)的關注，并引發(fā)通用汽車的回購——即便在“實際碰撞事故”之后沒有發(fā)生與電池有關的起火問題，美國國家高速交通安全管理局表示。

最終Volt的成功依賴于公眾的接受程度——和它的功能。為了達到這個目的，在設計Volt時，通用汽車與IBM合作對Volt中的“系統(tǒng)之系統(tǒng)”性能進行了仿真。通過使用關鍵系統(tǒng)的詳細模型，IBM軟件不僅驗證了行為，甚至產(chǎn)生了Volt系統(tǒng)中使用的軟件代碼的關鍵部分。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(tǒng)建模的方法對確保Volt電池管理系統(tǒng)的性能而言至關重要；事實上，優(yōu)化這種電池的性能仍然是業(yè)界、政府和學術(shù)界高度關注的研究課題。對于Volt來說，確保電池性能可以使最終的多板設計(圖1)能夠?qū)⒍鄠€嵌入式系統(tǒng)的工作整合成單一完整系統(tǒng)，進而滿足對Volt鋰離子電池組提出的行駛距離、安全性、性能和更長壽命的要求。

圖1：雪佛蘭Volt電池管理系統(tǒng)將所有功能劃分為用多塊PCB實現(xiàn)的多個子系統(tǒng)。這次拆解的重點是電池接口控制模塊——上圖從右數(shù)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

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

這種化學過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，化學反應緩慢，因此會降低電池電壓。隨著溫度的上升，反應速度會加快，直到鋰離子電池成份開始分解。當溫度高于100℃時，電解液開始分解并釋放氣體，在沒有壓力釋放機制的電池內(nèi)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，同時伴隨著氧化物的分解和氧氣的釋放，繼而進一步加速溫度上升。

據(jù)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(tǒng)的一個關鍵要求。Volt工程師的問題是要確保可靠的數(shù)據(jù)收集和分析，以便正確地監(jiān)視和控制汽車中的鋰離子電池狀態(tài)——這個問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)有個特點，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單的電池電壓測量方法向用戶提供保持電池電量或荷電狀態(tài)(SOC)的手段變得復雜起來。對于Volt汽車司機來說，精確地SOC測量是準確估計汽車剩余可行駛里程的關鍵。事實上，在新興的電動汽車市場中，“里程焦慮”是阻礙電動汽車普及和銷量攀升的一個關鍵因素，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。這對能源來說是一種優(yōu)勢，但對需要精確測量荷電狀態(tài)(SOC)的工程師來說增加了設計復雜性。(松下公司提供)

此外，將SOC保持在特定范圍內(nèi)對于延長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，而中間這個特定范圍一般是根據(jù)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，電池可能會發(fā)生過熱，或造成結(jié)構(gòu)的永久變形。

在Volt中，通用汽車公司工程師建立了58%至65%的安全SOC窗口，并且可以根據(jù)駕駛模式進行調(diào)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，延長行駛時間。當Volt達到合適的SOC下限時，汽車的汽油發(fā)動機將被啟動，從而延長行駛距離。
由于對鋰離子電池的荷電狀態(tài)(SOC)測量不是很可靠，工程師只能進行SOC估計，一般采用基于電流或基于電壓的方法進行。

基于電流的方法可以提供最精確的結(jié)果。這樣的方法會跟蹤荷電的變化，實質(zhì)上是計算充電過程中增加到電池的庫侖數(shù)或在放電周期中減去的庫侖數(shù)，然后判斷相對于滿充狀態(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(shù)”方法出現(xiàn)錯誤。另外，因為連續(xù)監(jiān)視對許多應用來說不切實際，因此庫侖計數(shù)法需要使用采樣方法。在汽車應用中，這種方法必須足夠快，并能自動跟蹤與加速有關的快速放電以及與再生制動有關的快速充電。

基于電壓的方法將電池的瞬態(tài)電壓輸出作為進一步計算的基礎來估算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(jié)鋰離子電池在多種工作條件下的精確表征數(shù)據(jù)一起使用時，電壓法可以提供精確的SOC估計結(jié)果。對于像Volt這樣的產(chǎn)品化汽車來說，維護過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(tǒng)能學習新電池模塊的容量——或在必要時重新學習電池容量。

鋰離子電池的化學物質(zhì)

鋰離子電池包含多種化學物質(zhì)，每一種在能量密度、效率、耐用性和標稱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物質(zhì)以及專有的安全加強型隔離膜——陶瓷涂覆的半透膜。從整個行業(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；移動電話中使用的扁平封裝；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，整個雪佛蘭Volt電池組由288節(jié)棱形鋰離子電池組成，這288節(jié)電池又被封裝成96個電池單元組，最終提供分析師測量到的386.6V直流系統(tǒng)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個主電池模塊。連接每個電池組的電壓檢測線端