高壓鋰離子電池組管理——安全供電的保證

　　此外，將SOC保持在特定范圍內(nèi)對(duì)于延長(zhǎng)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(gè)特定范圍一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的。如果允許完全放電，鋰離子電池成分性能將開(kāi)始惡化，并導(dǎo)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(huì)發(fā)生過(guò)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(jìn)行調(diào)整。在正常駕駛模式下可以將下限設(shè)置為30% SOC，在“山地駕駛”模式下，可以將下限設(shè)為更高的45%，以確保有足夠的電量上坡，延長(zhǎng)行駛時(shí)間。當(dāng)Volt達(dá)到合適的SOC下限時(shí)，汽車的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)將被啟動(dòng)，從而延長(zhǎng)行駛距離。

　　估計(jì)荷電狀態(tài)

　　由于對(duì)鋰離子電池的荷電狀態(tài)(SOC)測(cè)量不是很可靠，工程師只能進(jìn)行SOC估計(jì)，一般采用基于電流或基于電壓的方法進(jìn)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(huì)跟蹤荷電的變化，實(shí)質(zhì)上是計(jì)算充電過(guò)程中增加到電池的庫(kù)侖數(shù)或在放電周期中減去的庫(kù)侖數(shù)，然后判斷相對(duì)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(kù)侖計(jì)數(shù)”方法出現(xiàn)錯(cuò)誤。另外，因?yàn)檫B續(xù)監(jiān)視對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)不切實(shí)際，因此庫(kù)侖計(jì)數(shù)法需要使用采樣方法。在汽車應(yīng)用中，這種方法必須足夠快，并能自動(dòng)跟蹤與加速有關(guān)的快速放電以及與再生制動(dòng)有關(guān)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(jìn)一步計(jì)算的基礎(chǔ)來(lái)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(dāng)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(shí)，電壓法可以提供精確的SOC估計(jì)結(jié)果。對(duì)于像Volt這樣的產(chǎn)品化汽車來(lái)說(shuō)，維護(hù)過(guò)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(xué)習(xí)新電池模塊的容量——或在必要時(shí)重新學(xué)習(xí)電池容量。

　　鋰離子電池的化學(xué)物質(zhì)

　　鋰離子電池包含多種化學(xué)物質(zhì)，每一種在能量密度、效率、耐用性和標(biāo)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(xué)物質(zhì)以及專有的安全加強(qiáng)型隔離膜——陶瓷涂覆的半透膜。從整個(gè)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(dòng)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(gè)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(gè)電池單元組，最終提供分析師測(cè)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(gè)主電池模塊。連接每個(gè)電池組的電壓檢測(cè)線端接于每個(gè)電池模塊頂部的連接器，再由電壓檢測(cè)線束將連接器連接到位于每個(gè)電池模塊頂部的電池接口模塊。這里有4種顏色編碼的電池接口模塊，它們工作在電池組的不同位置，對(duì)應(yīng)4個(gè)模塊組的直流電壓偏移的低壓、中壓和高壓范圍。

　　來(lái)自電池接口模塊的數(shù)據(jù)向上傳送到電池能量控制模塊。這個(gè)控制模塊再將故障條件、狀態(tài)和診斷信息傳送給混合傳動(dòng)控制模塊，后者作為主控制器完成整車級(jí)的診斷。在任何時(shí)候，整個(gè)系統(tǒng)每隔0.1秒都會(huì)運(yùn)行500次以上診斷。其中85%的診斷主要集中于電池組的安全性，剩下的診斷用于電池性能和壽命。

　　多層電路板

　　對(duì)電池性能的后續(xù)分析開(kāi)始于對(duì)電池接口控制模塊的重點(diǎn)拆解(圖3)。這個(gè)模塊用了一塊4層PCB板，其中大部分元件安裝在頂層，還有橙色的電池連接器和黑色的數(shù)據(jù)通信連接器。最上層有一個(gè)地平面和一些信號(hào)走線，有些走線通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連接到下面的層。在第2層中，在PCB的高壓區(qū)下方鋪有電源和地平面。第3層包含在這些區(qū)域下方通過(guò)的信號(hào)走線。PCB的另一面即第4層用于地平面和信號(hào)走線，并包含少許輔助元件。

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　　圖3：雪佛蘭Volt中有4塊電池接口控制模塊PCB，每塊PCB整合了多個(gè)檢測(cè)電路和CAN通信電路，并通過(guò)位于通信子系統(tǒng)邊緣的光耦加以隔離。(UBM TechInsights公司提供)

　　黑色的ATLPB-21-2AK PCB安裝型連接器承載有5V基準(zhǔn)、低壓基準(zhǔn)、信號(hào)地、CAN總線高速串行數(shù)據(jù)、CAN總線低速串行數(shù)據(jù)以及高壓故障信號(hào)。橙色電池連接器承載了電池模塊溫度信號(hào)、低壓基準(zhǔn)以及來(lái)自電池單元組的電壓檢測(cè)線。

　　檢測(cè)子系統(tǒng)

　　電池接口控制系統(tǒng)的核心是一個(gè)復(fù)雜的檢測(cè)子系統(tǒng)——一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)電路，負(fù)責(zé)監(jiān)視每個(gè)鋰離子電池組的輸出電壓和電池組的溫度。電池電壓經(jīng)過(guò)電池連接器到達(dá)L9763，一塊由意法微電子和LG Chem聯(lián)合開(kāi)發(fā)的ASIC。

　　L9763 ASIC可以監(jiān)視多達(dá)10個(gè)獨(dú)立的鋰離子電池組，可以通過(guò)片上電流檢測(cè)放大器進(jìn)行電池-負(fù)載-電流的監(jiān)視，并通過(guò)片上的模擬復(fù)用器和采樣保持電路完成電池電壓的監(jiān)視(圖4)。這個(gè)器件的差分輸入可以在大偏移電壓條件下確保毫伏精度的測(cè)量，具體取決于電池單元在電池組中的位置。另外，PCB設(shè)計(jì)師可以聯(lián)合使用走線版圖技術(shù)、隔離技術(shù)和前面提到的地平面，以確保這種極具挑戰(zhàn)的環(huán)境中信號(hào)的完整性。

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　　圖4：L9763 ASIC包含有用于測(cè)量Volt電池組的電壓和電流以及通過(guò)無(wú)源電阻電池平衡技術(shù)平衡這些電池中電量的片上電路。(意法微電子公司提供)

　　根據(jù)這些測(cè)量結(jié)果，L9763的片上電路會(huì)將個(gè)別電池組切換到外部電阻網(wǎng)絡(luò)，以便有選擇性地給電池放電，從而減小由于大的電壓差異引起的應(yīng)力。這種簡(jiǎn)單的無(wú)源技術(shù)為電池平衡提供了簡(jiǎn)單、低成本的解決方案，但損失了效率，因?yàn)槟芰孔兂闪朔烹婋娮枭系臒崃慷鴵p失掉了(圖5)。替代性的電池平衡技術(shù)是使用有源方法，將最高電壓電池的電量存儲(chǔ)起來(lái)，并重新分配給最低的電池。這種技術(shù)需要在每節(jié)電池之間順序切換，并使用電容、電感或變壓器來(lái)儲(chǔ)存或重新分配電量。雖然有源方法與無(wú)源方法相比具有節(jié)省能量的優(yōu)勢(shì)，但增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

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　　圖5：無(wú)源電池平衡技術(shù)(左)將高電壓電池切換到放電電阻;有源電池平衡技術(shù)可以依次累積電量到電容上(右)或電感上，或者使用變壓器將電量分配給低電壓電池。(意法微電子提供)。