電動汽車中的數(shù)字電源控制和電池管理策略

作者：時間：2011-10-12 來源：網絡

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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。”這個永恒真理正是鋰電池化學行業(yè)引領世界向下一代插電式電動汽車發(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，當考慮到電動汽車電池更大的總能量時，這種印象更是被進一步放大。這方面的顧慮及其它因素促進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，這是為了達到更低的碳排放和更高的燃油經濟性需要做出的讓步。

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，半導體公司正在推進預期能夠滿足這些要求的產品開發(fā)進程。本文將討論與插電式混合動力汽車(PHEV)中的大功率(>3kW)、離線式電池充電器開發(fā)相關的設計要求、架構及挑戰(zhàn)，并舉例說明為何要為這類應用創(chuàng)建數(shù)字電源架構。

電動汽車設計環(huán)境

電動交通工具泛指使用高壓電池和電動機進行推進的車輛。與僅用內燃機(ICE)提供動力的汽車相比，這種技術的優(yōu)勢在于，電動機在產生扭矩(特別是在加速過程中)時要比ICE高效得多。另外，電動汽車可以在剎車時回收動能，而其它類汽車只能以熱量的形式損耗掉。

混合動力汽車(HEV)與新興的PHEV汽車不同，它們使用較低容量的電池和電動機輔助主要ICE加速。這種混合扭矩加上再生制動能力可進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的動力完全來自于清潔電網能量。

所謂的串聯(lián)電動汽車與并聯(lián)HEV不同，不是從兩種來源混合扭矩。所有推進扭矩來自更大的電動機，一般大于80kW。在某些情況下，會增加一個小型的、性能經過優(yōu)化的續(xù)駛里程ICE，用于解決純電動汽車電池的里程限制問題。ICE用作發(fā)電機給電動機供電，并給電池充電。不管是在PHEV還是HEV中，增加高壓電池和電動機從根本上改變了汽車的電氣、機械和安全系統(tǒng)。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(tǒng)。

電池設計挑戰(zhàn)

在過去一百年左右的時間內，工程師已經使汽油推進系統(tǒng)變得十分完善?，F(xiàn)在，OEM及其供應商改變過去的方式，開始組成聯(lián)盟，突破常規(guī)，集中力量優(yōu)化電動推進系統(tǒng)。

電動推進系統(tǒng)的高成本表現(xiàn)在產品開發(fā)和元件復雜度方面，需要采用復雜和容錯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)汽油動力汽車中，測量油量是一個簡單任務。根據(jù)具體的汽車，油量表可能只是由連接到一個發(fā)送部件的加熱線圈所驅動的雙金屬條。而在電動汽車中，“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)電池進行精確的電壓測量(在幾個毫伏內)。

這是電池管理系統(tǒng)的工作。BMS是一個高精度的系統(tǒng)，用于向中央處理器報告有關電池單元的電壓、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誤報電池SOC，還會縮短電池使用壽命，或產生不安全的、潛在性的災情。

為了避免出現(xiàn)這種情況，業(yè)界開發(fā)出了滿足ISO26262之類新興標準的IC，它們通過硬件內置測試功能，以及為電池單元的過壓/欠壓監(jiān)視等安全關鍵功能提供的N+1冗余保護，來確保系統(tǒng)可靠運作。如果電池組中的一節(jié)電池被迫進入深度放電狀態(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。

更先進的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)的一個重要指示。

圖1：針對多電池數(shù)量應用的電池管理系統(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)電池單元都會限制整個電池組容量。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。例如，SAE J1772是目前北美地區(qū)唯一獲得批準的電動汽車連接器標準，功率限制為16.8kW以下。

與用于便攜式電子設備的電池不同，汽車級電池可以適應大得多的充電電流，而不會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(Ah)為單位測量的電池容量。例如，一個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高于這個限值的電流充電，從而縮短再次充電時間。事實上，工作在480V/三相電壓的大功率三類充電器，給電動汽車電池充電的時間與加滿一箱油的時間相近。

請注意，電動汽車的電池容量一般是用千瓦時表示，將千瓦時額定值除以標稱電池平坦電壓，可松散關聯(lián)到電池的安培小時額定值。例如，將一個24 KWh的電池從10%充電到滿充狀態(tài)，日產LEAF電動汽車集成的一款3.3kW充電器需要用8個小時。

另外需要注意的是，電動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(shù)和UL/IEC安全標準方面的工業(yè)和政府法規(guī)要求。與所有其它的鋰化學工業(yè)一樣，電動汽車推進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，然后轉入穩(wěn)壓階段，同時監(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)和電動車服務設備協(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(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性不能打任何折扣。

合適的電源架構涉及交錯式功率因數(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。這個微控制器能夠以數(shù)字方式關閉多個控制環(huán)路，并精確地調制高壓MOSFET開關。集中和高度智能的控制機制可以應對模擬技術不易解決的許多問題。

圖2：用于連接交錯式PFC和移相橋的數(shù)字控制接口。

更先進的微控制器集成協(xié)處理器(控制律加速器（CLA）)和多個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(shù)的運算，后者能夠控制功率開關在150ps內。這種架構能夠動態(tài)適應線路和負載的變化，記錄系統(tǒng)操作參數(shù)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)前瞻性的無差錯算法，同時通過一個地隔離的控制區(qū)域網絡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展性，并且更適合電動汽車中的大功率多相位應用。

針對數(shù)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驗的軟件設計師進行集成；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告。例如，考慮圖2所示的兩相交錯式PFC功能。PFC升壓開關受到實現(xiàn)多模式PFC的PWM1控制，可以產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(shù)字補償和相位管理模塊在軟件控制下是可變的。采用數(shù)字技術還能使系統(tǒng)不易受噪聲和溫度的影響，同時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。