混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的電池管理架構(gòu)研究分析

用于電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)的電池技術(shù)已經(jīng)獲得了顯著進(jìn)步，不但電池能量密度已穩(wěn)步提高，而且電池還能可靠地充電和放電數(shù)千次。如果設(shè)計(jì)工程師能有效利用這些技術(shù)進(jìn)步，那么就成本、可靠性和壽命而言，電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)就有潛力與傳統(tǒng)汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)。

　　一個(gè)電池規(guī)定的容量是指電池從100%充電狀態(tài)到零充電狀態(tài)所能提供的電量。充電到100%充電狀態(tài)或放電到零充電狀態(tài)會(huì)迅速縮短電池壽命，因此應(yīng)該仔細(xì)管理電池以避免完全充電或完全放電狀態(tài)。與工作在30%~70%的充電狀態(tài)之間(利用40%的容量)相比，工作在10%充電狀態(tài)到90%充電狀態(tài)之間(利用80%的規(guī)定容量)可以將電池的充電循環(huán)總次數(shù)減少到原來(lái)的1/3或更低。

　　在有效電池容量和電池壽命之間進(jìn)行平衡給電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了挑戰(zhàn)?？紤]前文提到的利用40%容量與利用80%容量的情況。如果系統(tǒng)將電池為限制為僅使用其40%容量，以便使電池壽命延長(zhǎng)到原來(lái)的3倍，那么電池尺寸必須增大1倍以獲得與利用80%容量情況下一樣多的可用容量。但這會(huì)使電池系統(tǒng)的重量和體積增大1倍，從而提高成本并降低效率。

　　汽車(chē)制造商一般要求電池壽命超過(guò)10年，且對(duì)必需的可用電池容量做了規(guī)定。電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)是必須竭盡所能用最小的電池組實(shí)現(xiàn)最大的容量。為達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，電池系統(tǒng)必須采用精密的電子電路仔細(xì)控制和監(jiān)視電池。

　　電動(dòng)汽車(chē)電池組系統(tǒng)

　　電動(dòng)汽車(chē)電池組由多個(gè)電池串聯(lián)疊置組成。一個(gè)典型的電池組大約有96個(gè)電池，充電到4.2V的鋰離子電池而言，這樣的電池組可產(chǎn)生超過(guò)400V的總電壓。盡管汽車(chē)電源系統(tǒng)將電池組看作單個(gè)高壓電池，每次都對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨(dú)立考慮每個(gè)電池的情況。如果電池組中的一個(gè)電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過(guò)多個(gè)充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。如果這個(gè)電池的充電狀態(tài)沒(méi)有周期性地與其它電池平衡，那么它最終將進(jìn)入深度放電狀態(tài)，從而導(dǎo)致?lián)p壞，并最終形成電池組故障。為防止這種情況發(fā)生，每個(gè)電池的電壓都必須監(jiān)視，以確定充電狀態(tài)。此外，必須有一個(gè)裝置讓電池單獨(dú)充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。

圖1：并行獨(dú)立CAN模塊。

　　電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一個(gè)重要考慮因素是通信接口。就PC板內(nèi)的通信而言，常用的選項(xiàng)包括串行外設(shè)接口(SPI)總線、I2C總線，每種總線的通信開(kāi)銷(xiāo)都很低，適用于低干擾環(huán)境。另一個(gè)選項(xiàng)是控制器局域網(wǎng)(CAN)總線，這種總線在汽車(chē)應(yīng)用中被廣泛使用。CAN總線非常魯棒，具有誤差檢測(cè)和故障容限特性，但是它的通信開(kāi)銷(xiāo)很大，材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到汽車(chē)主CAN總線的連接是值得要的，但在電池組內(nèi)采用SPI或I2C通信是有優(yōu)勢(shì)的。

圖2：具CAN網(wǎng)關(guān)的并行模塊。

　　凌力爾特公司(Linear)已經(jīng)推出一款使電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能夠滿足這些苛刻要求的器件。LTC6802是一個(gè)電池組監(jiān)視器IC，能測(cè)量多達(dá)12個(gè)疊置電池的電壓。LTC6802還有內(nèi)部開(kāi)關(guān)，使電池可以單獨(dú)放電，以便它們能與電池組中的其它電池進(jìn)入平衡狀態(tài)。

　　為說(shuō)明電池組架構(gòu)，考慮一個(gè)具有96個(gè)鋰離子電池的系統(tǒng)。這將需要8個(gè)LTC6802來(lái)監(jiān)視整個(gè)電池組，其中每個(gè)器件工作在不同的電壓。當(dāng)采用4.2V鋰離子電池時(shí)，底端監(jiān)視器件將跨接在12個(gè)電池上,電位調(diào)節(jié)范圍為0~50.4V，下一組電池的電壓范圍為50.4V到100.8V，順著電池組依此類(lèi)推。這些器件之間在不同的電壓上進(jìn)行通信帶來(lái)了難以克服的挑戰(zhàn)。人們已經(jīng)考慮過(guò)多種方法，但由于汽車(chē)制造商優(yōu)先考慮的重點(diǎn)不同，每種方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

表：電池監(jiān)視架構(gòu)比較。

　　電池監(jiān)視要求

　　在電池監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)之間作抉擇時(shí)，至少有5個(gè)需要平衡的主要要求。它們的相對(duì)重要性取決于最終客戶的需求和期望。

　　1. 準(zhǔn)確性。為了利用可能的最大電池容量，電池監(jiān)視器需要準(zhǔn)確。不過(guò)，汽車(chē)是一種噪聲系統(tǒng)，在很大的頻率范圍內(nèi)存在電磁干擾。任何的準(zhǔn)確性降低都會(huì)對(duì)電池組壽命和性能造成有害影響。

　　2. 可靠性。不管采用何種電源，汽車(chē)制造商必須滿足極高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。此外，高能量容量以及有些電池技術(shù)潛在的不穩(wěn)定本性是人們擔(dān)心的主要安全問(wèn)題。相對(duì)于嚴(yán)重的電池故障，在保守性條件下執(zhí)行關(guān)斷操作的故障安全系統(tǒng)更加可取，盡管它有可能使乘客不幸滯留。因此，必須仔細(xì)監(jiān)視和控制電池系統(tǒng)，以在系統(tǒng)中確保對(duì)整個(gè)電池壽命期的全面控制。為最大限度減少假的和真的故障，一個(gè)良好設(shè)計(jì)的電池組系統(tǒng)必須有魯棒的通信，最大限度減少故障模式以及故障檢測(cè)。

3. 可制造性。現(xiàn)代的汽車(chē)已包含大量采用復(fù)雜布線線束的電子產(chǎn)品。就汽車(chē)制造而言，增加復(fù)雜的電子電路和配線以支持電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)會(huì)使復(fù)雜性更高?？偟慕M件和連接數(shù)量必須盡量地少以滿足 嚴(yán)格的尺寸和重量限制，并確保大批量生產(chǎn)是切實(shí)可行的。

　　4. 成本。復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)可能很昂貴，最大限度減少如微控制器、接口控制器、電流隔離器和晶振等成本相對(duì)高昂的元件數(shù)量可大大降低系統(tǒng)的總成本。

　　5. 功率。電池監(jiān)視器本身也是電池的負(fù)載，其較低的工作電流可提高系統(tǒng)效率，較低的備用電流可在汽車(chē)熄火后防止電池過(guò)度放電。

　　電池監(jiān)視架構(gòu)

　　圖1至圖4給出了4種電池監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)。假設(shè)一個(gè)由96個(gè)電池組成的系統(tǒng)以12個(gè)電池為一組分成8組，表中對(duì)這種情況下的每種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。在每種情況下，一個(gè)LTC6802監(jiān)視一個(gè)由12個(gè)電池組成的電池組。每種架構(gòu)都設(shè)計(jì)為一個(gè)自主的電池監(jiān)視系統(tǒng)，都提供到汽車(chē)主CAN總線的CAN總線接口，且與汽車(chē)的其余部分是電流隔離的。

　　1．并行獨(dú)立CAN模塊(如圖1)

　　每個(gè)由12個(gè)電池組成的模塊都含有一個(gè)電路板，板上有LTC6802、微控制器、CAN接口和電流隔離變壓器。系統(tǒng)所需的大量電池監(jiān)視數(shù)據(jù)會(huì)使汽車(chē)的主 CAN總線崩潰，因此這些CAN模塊需要在局域CAN子網(wǎng)上。CAN子網(wǎng)由主控制器協(xié)調(diào)，該控制器還提供至汽車(chē)主CAN總線的網(wǎng)關(guān)。

　　2．具CAN網(wǎng)關(guān)的并行模塊(如圖2)

　　每個(gè)由12個(gè)電池組成的模塊都含有一個(gè)電路板，板上有LTC6802和數(shù)字隔離器。這些模塊與控制器電路板有獨(dú)立的接口連接，控制器電路板上含有微控制器、CAN接口和電流隔離變壓器。微控制器協(xié)調(diào)這些模塊并提供到汽車(chē)主CAN總線的網(wǎng)關(guān)。

　　3．具CAN網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監(jiān)視模塊(圖3)

　　在這種配置中，由12個(gè)電池組成的模塊內(nèi)部沒(méi)有監(jiān)視和控制電路，而是在單個(gè)電路板上有8個(gè)LTC6802監(jiān)視器IC，每個(gè)IC都連接到其電池模塊。 LTC6802器件通過(guò)非隔離SPI兼容串行接口通信。單個(gè)微控制器通過(guò)SPI兼容串行接口控制全部電池組監(jiān)視器，并充當(dāng)?shù)狡?chē)主CAN總線的網(wǎng)關(guān)。這些再加上CAN收發(fā)器和電流隔離變壓器就形成了完整的電池監(jiān)視系統(tǒng)。

圖3：具CAN網(wǎng)關(guān)的單個(gè)監(jiān)視模塊。

　　4．具CAN網(wǎng)關(guān)的串行模塊(圖4)

　　這種架構(gòu)類(lèi)似于單個(gè)監(jiān)視模塊，除了每個(gè)LTC6802都在由12個(gè)電池組成的模塊內(nèi)部的電路板上。這8個(gè)模塊通過(guò)LTC6802非隔離SPI兼容串行接口通信，這需要在電池模塊對(duì)之間連接3或4個(gè)傳導(dǎo)電纜。單個(gè)微控制器通過(guò)底部監(jiān)視器IC控制全部電池組監(jiān)視器，同時(shí)兼作到汽車(chē)主CAN總線的網(wǎng)關(guān)。這里仍然需要CAN收發(fā)器和電流隔離變壓器以形成完整的電池監(jiān)視系統(tǒng)。

圖4：具CAN網(wǎng)關(guān)的串行模塊

　　電池監(jiān)視架構(gòu)選擇

　　由于并行接口需要大量連接和外部隔離，第1種和第2種架構(gòu)一般易產(chǎn)生問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜性提高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)工程師需要實(shí)現(xiàn)到每個(gè)監(jiān)視器器件的獨(dú)立通信。第3 種和第4種架構(gòu)都是限制最少的簡(jiǎn)化方法。LTC6802可滿足所有這4種配置的需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以選擇LTC6802的兩個(gè)版本，一個(gè)用于串行配置，一個(gè)用于并行配置。

　　LTC6802-1用于疊置式SPI接口配置。多個(gè)LTC6802-1器件可以通過(guò)一個(gè)接口串行連接，該接口無(wú)需外部電平移位器或隔離器就可沿著電池組來(lái)回發(fā)送數(shù)據(jù)。LTC6802-2允許單個(gè)器件用在并行架構(gòu)中。這兩個(gè)版本器件具有同樣的電池監(jiān)視規(guī)格和功能。

　　電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電池組有大量需求。汽車(chē)制造商希望具經(jīng)濟(jì)效益的電池系統(tǒng)，以滿足他們嚴(yán)格的可靠性要求。凌力爾特公司最新的電池監(jiān)視器IC給系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在性能不打折扣的情況下選擇最佳電池組架構(gòu)帶來(lái)很大的靈活性。