電動(dòng)汽車中的數(shù)字電源控制和電池管理策略
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
正如亨利·福特于1923年所談到的，“即使節(jié)省幾磅的汽車重量……也意味著它們能開得更快，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)汽車發(fā)展的理由。
不過，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(dāng)考慮到電動(dòng)汽車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(tǒng)(BMS)的發(fā)展。這種電池管理系統(tǒng)需要與大功率電池充電系統(tǒng)通信，以滿足諸如安全、成本、電池壽命、汽車行程和整夜充電等要求，這是為了達(dá)到更低的碳排放和更高的燃油經(jīng)濟(jì)性需要做出的讓步。
隨著汽車制造廠商對下一代電池管理和充電系統(tǒng)要求的確定，半導(dǎo)體公司正在推進(jìn)預(yù)期能夠滿足這些要求的產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。本文將討論與插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)中的大功率(>3kW)、離線式電池充電器開發(fā)相關(guān)的設(shè)計(jì)要求、架構(gòu)及挑戰(zhàn)，并舉例說明為何要為這類應(yīng)用創(chuàng)建數(shù)字電源架構(gòu)。
電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)環(huán)境
電動(dòng)交通工具泛指使用高壓電池和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行推進(jìn)的車輛。與僅用內(nèi)燃機(jī)(ICE)提供動(dòng)力的汽車相比，這種技術(shù)的優(yōu)勢在于，電動(dòng)機(jī)在產(chǎn)生扭矩(特別是在加速過程中)時(shí)要比ICE高效得多。另外，電動(dòng)汽車可以在剎車時(shí)回收動(dòng)能，而其它類汽車只能以熱量的形式損耗掉。
混合動(dòng)力汽車(HEV)與新興的PHEV汽車不同，它們使用較低容量的電池和電動(dòng)機(jī)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，減少排放還不能完全滿足針對汽車零排放的最新法律要求。因此，作為新興汽車PHEV的動(dòng)力完全來自于清潔電網(wǎng)能量。
所謂的串聯(lián)電動(dòng)汽車與并聯(lián)HEV不同，不是從兩種來源混合扭矩。所有推進(jìn)扭矩來自更大的電動(dòng)機(jī)，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)過優(yōu)化的續(xù)駛里程ICE，用于解決純電動(dòng)汽車電池的里程限制問題。ICE用作發(fā)電機(jī)給電動(dòng)機(jī)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(jī)從根本上改變了汽車的電氣、機(jī)械和安全系統(tǒng)。因此最終需要復(fù)雜和高度智能的功率電子和電池管理系統(tǒng)。
電池設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
在過去一百年左右的時(shí)間內(nèi)，工程師已經(jīng)使汽油推進(jìn)系統(tǒng)變得十分完善。現(xiàn)在，OEM及其供應(yīng)商改變過去的方式，開始組成聯(lián)盟，突破常規(guī)，集中力量優(yōu)化電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)。
電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的高成本表現(xiàn)在產(chǎn)品開發(fā)和元件復(fù)雜度方面，需要采用復(fù)雜和容錯(cuò)性的汽車智能和功率電子系統(tǒng)連續(xù)管理數(shù)十千瓦的功率。
在傳統(tǒng)汽油動(dòng)力汽車中，測量油量是一個(gè)簡單任務(wù)。根據(jù)具體的汽車，油量表可能只是由連接到一個(gè)發(fā)送部件的加熱線圈所驅(qū)動(dòng)的雙金屬條。而在電動(dòng)汽車中，“油箱”是由串聯(lián)/并聯(lián)的許多電池單元(可能100節(jié)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(jié)電池進(jìn)行精確的電壓測量(在幾個(gè)毫伏內(nèi))。
這是電池管理系統(tǒng)的工作。BMS是一個(gè)高精度的系統(tǒng)，用于向中央處理器報(bào)告有關(guān)電池單元的電壓、電流和溫度等詳細(xì)信息，然后由中央處理器負(fù)責(zé)計(jì)算電池的SOC。不能精確地測量電池不僅會(huì)誤報(bào)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(zāi)情。
為了避免出現(xiàn)這種情況，業(yè)界開發(fā)出了滿足ISO26262之類新興標(biāo)準(zhǔn)的IC，它們通過硬件內(nèi)置測試功能，以及為電池單元的過壓/欠壓監(jiān)視等安全關(guān)鍵功能提供的N+1冗余保護(hù)，來確保系統(tǒng)可靠運(yùn)作。如果電池組中的一節(jié)電池被迫進(jìn)入深度放電狀態(tài)，或被過度充電，這節(jié)電池可能永久性損壞，并可能出現(xiàn)熱失控——自我破壞狀態(tài)。因此，除了主要的電池監(jiān)視系統(tǒng)外還需要二級保護(hù)。
更先進(jìn)的BMS能夠同步電壓和電流測量，并作為連續(xù)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?cái)?shù)量應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)。
圖1顯示了足以用來測量電池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(jié)電池單元都會(huì)限制整個(gè)電池組容量。換句話說，如果某節(jié)電池單元先于其它電池達(dá)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(biāo)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)汽車充電器是根據(jù)輸出功率/輸入電壓分類的。一類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。專用的二類和三類充電器工作于240V/480V配線系統(tǒng)，能夠以快得多的速率完成充電，但限于汽車電池和連接器約束范圍內(nèi)。例如，SAE J1772是目前北美地區(qū)唯一獲得批準(zhǔn)的電動(dòng)汽車連接器標(biāo)準(zhǔn)，功率限制為16.8kW以下。
與用于便攜式電子設(shè)備的電池不同，汽車級電池可以適應(yīng)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(tǒng)的鋰離子電池可能限于1C，但一些汽車電池可以用遠(yuǎn)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充電器，給電動(dòng)汽車電池充電的時(shí)間與加滿一箱油的時(shí)間相近。
請注意，電動(dòng)汽車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(biāo)稱電池平坦電壓，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%充電到滿充狀態(tài)，日產(chǎn)LEAF電動(dòng)汽車集成的一款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始時(shí)通常需要保留至少10%的電池容量。
充電器的架構(gòu)設(shè)計(jì)
板載充電器必須符合嚴(yán)格的電磁兼容性、功率因數(shù)和UL/IEC安全標(biāo)準(zhǔn)方面的工業(yè)和政府法規(guī)要求。與所有其它的鋰化學(xué)工業(yè)一樣，電動(dòng)汽車推進(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(dá)到電壓設(shè)置點(diǎn)，然后轉(zhuǎn)入穩(wěn)壓階段，同時(shí)監(jiān)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)車服務(wù)設(shè)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(jiān)視的其它系統(tǒng)考慮因素。這種控制算法的安全性和容錯(cuò)性不能打任何折扣。
合適的電源架構(gòu)涉及交錯(cuò)式功率因數(shù)校正(PFC)和隨后的相移全橋電路，如圖2所示?？刂品答亝?shù)由微控制器數(shù)字化。這個(gè)微控制器能夠以數(shù)字方式關(guān)閉多個(gè)控制環(huán)路，并精確地調(diào)制高壓MOSFET開關(guān)。集中和高度智能的控制機(jī)制可以應(yīng)對模擬技術(shù)不易解決的許多問題。
圖2：用于連接交錯(cuò)式PFC和移相橋的數(shù)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(diào)制器(PWM)，前者用于加速控制環(huán)路傳輸函數(shù)的運(yùn)算，后者能夠控制功率開關(guān)在150ps內(nèi)。這種架構(gòu)能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)線路和負(fù)載的變化，記錄系統(tǒng)操作參數(shù)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)前瞻性的無差錯(cuò)算法，同時(shí)通過一個(gè)地隔離的控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)智能連接所有其它汽車子系統(tǒng)。
最近在數(shù)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(kuò)展性，并且更適合電動(dòng)汽車中的大功率多相位應(yīng)用。
針對數(shù)字補(bǔ)償和每種可能的電源拓?fù)涞拇笮?、可擴(kuò)展的模塊化軟件庫可以由有經(jīng)驗(yàn)的軟件設(shè)計(jì)師進(jìn)行集成；另外還能獲得與數(shù)字和模擬電源解決方案作對比的測試報(bào)告。例如，考慮圖2所示的兩相交錯(cuò)式PFC功能。PFC升壓開關(guān)受到實(shí)現(xiàn)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?fù)涞倪m應(yīng)性，其中的數(shù)字補(bǔ)償和相位管理模塊在軟件控制下是可變的。采用數(shù)字技術(shù)還能使系統(tǒng)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(shè)計(jì)。
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。類似的代碼構(gòu)造可以用零電壓開關(guān)實(shí)現(xiàn)移相橋，從而使轉(zhuǎn)換器開關(guān)損耗達(dá)到最小，同時(shí)提高效率。級聯(lián)拓?fù)淠軌蜻_(dá)到95%以上的充電器效率，并使系統(tǒng)故障容錯(cuò)性能最大化，系統(tǒng)成本降至最低。
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