鋰離子電池管理確保電動汽車的安全性和續(xù)航里程優(yōu)化第1部分

電池組是電動工具、踏板車和電動汽車 (EV) 等電池供電產(chǎn)品中最昂貴的組件之一。電池組性能極大地影響了電動汽車的車輛級關(guān)心，包括續(xù)航里程、電池組使用壽命和充電時間，更不用說車輛的安全性和可靠性。因此，電池管理成為深入研究和持續(xù)開發(fā)工作的主題也就不足為奇了。

從車輛系統(tǒng)的角度來看，電池組的關(guān)鍵性能指標 (KPI) 包括直流鏈路電壓、能量密度、比功率和電池預(yù)期壽命等參數(shù)。到目前為止，鋰離子(Li-ion)電池提供了良好的效果;然而，鋰離子化學(xué)對汽車電子設(shè)備的電池組“保養(yǎng)和供電”造成了相當大的負擔。

鋰離子電池的使用要求電池管理單元 (BMU) 在共模電壓超過數(shù)百伏的嘈雜電氣環(huán)境中“突破”測量精度的極限。除了監(jiān)控電池的電壓和溫度之外，BMU 還必須執(zhí)行電池平衡和庫侖計數(shù)等關(guān)鍵功能，同時確保整個電池組在符合嚴格的 ISO 26262 功能安全要求的安全工作范圍內(nèi)工作。

為什么是鋰離子電池?

能量密度 (Wh/l) 和比功率 (Energy/kg) 是 EV 電池設(shè)計的兩個主要品質(zhì)因數(shù)。這些品質(zhì)因數(shù)由幾個車輛級性能參數(shù)驅(qū)動;也許最重要的是每次充電的范圍。為了優(yōu)化每次充電的續(xù)航里程，能量存儲必須緊湊且輕便。

能量密度越高，車內(nèi)可輸送的能量容量越大;由于更高的比功率，再加上更輕的有效載荷，可以增加車輛的續(xù)航里程。除了影響車輛續(xù)航里程外，電池組的緊湊性還為其他關(guān)鍵 EV 系統(tǒng)留出了空間，例如車載充電器和將電能轉(zhuǎn)化為運動的牽引驅(qū)動裝置。這使得在多個 EV 平臺上流行的所謂“滑板”配置成為可能。

我們比較了幾種常見的電池技術(shù)。目前，鋰離子是明確的選擇，它的使用在當今的汽車電氣化中很普遍。盡管如此，鋰離子電池也有缺點。充電很挑剔，很難衡量鋰離子電池組的充電狀態(tài)。

鋰離子電池可能很棘手，正如懸浮滑板等消費產(chǎn)品的熱失控問題所證明的那樣。最后，鋰離子是一項昂貴的技術(shù)，不僅因為構(gòu)成電池的特殊材料，還因為為了優(yōu)化性能和安全性而必須存在的電池和熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性。

鋰離子特性

我們來描繪了典型鋰離子電池的充電和放電特性。一旦電池在充電過程中(甚至在放電時)達到飽和狀態(tài)，電池電壓在大部分操作范圍內(nèi)幾乎保持恒定。平坦的放電曲線使其成為電動汽車的有吸引力的能源，因為電池在很寬的運行范圍內(nèi)提供幾乎恒定的能量。

然而，這一特性以及其他內(nèi)在品質(zhì)給電池管理帶來了挑戰(zhàn)。更重要的是，電池特性在很大程度上決定了車輛的續(xù)航里程、電池使用壽命、安全性和車輛的可用性。例如，需要知道用戶在充電前可以走多遠。

不同的材料構(gòu)成陽極/陰極，這會影響電池特性。例如，鋰離子電池充電至 3.8 V 至 4.2 V，容差約為 ±50 mV，具體取決于所采用的陽極/陰極材料。當充電電流低于電池額定電流的 3% 時，電池被認為已充滿電。雖然提高充電電流不會影響總充電時間，但它可以加速時間達到約 70% 容量的平臺期。

事實上，將電池充電到低于 100% 的電量對于延長使用壽命是可取的，因為鋰離子電池無法接受過度充電而不會造成電池損壞和/或安全性受損。因此，系統(tǒng)設(shè)計人員必須權(quán)衡范圍/充電、電池使用壽命、安全性和充電時間等參數(shù)。

還有其他挑戰(zhàn)和細微差別需要考慮。電池以陣列形式連接——串聯(lián)和并聯(lián)組合以增加電壓和容量——這使管理過度充電或充電不足的問題變得復(fù)雜。BMU 實施“電池平衡”以確保電池組中的所有電池(串聯(lián)連接的多個電池)實際上處于相同的充電水平。

出于多種原因，監(jiān)測電池溫度也很重要。充電過程中溫度顯著升高表明存在故障。此外，鋰離子電池在低溫(例如冷凍)下不能很好地充電。在這種情況下，BMU 可以加熱電池進行補償。

最后，即使充電和放電受到嚴格控制，電池的容量也會隨著時間的推移而下降，因為它經(jīng)歷了許多充電和放電循環(huán)。電動汽車可以通過傳達車輛剩余的里程而不是電池容量或充電狀態(tài)來彌補這一點。一輛全新的汽車可能充電到 70%，放電到 30%。隨著電池組老化和容量減少，BMU 可以擴大充電和放電窗口，以使車輛在車輛的使用壽命內(nèi)保持其“完全充電”行駛范圍。

電池單元管理

汽車 EV/混合動力電動汽車 (HEV) 電池包含數(shù)百個串聯(lián)和并聯(lián)的鋰離子電池，從已經(jīng)討論的挑戰(zhàn)中可以清楚地看出，只有通過適當?shù)碾姵毓芾聿拍芫S持安全和壽命優(yōu)化的操作。必須單獨診斷和平衡串聯(lián)中的每個單元。

如果目標是優(yōu)化車輛級 KPI，則信號路徑必須提供估計充電狀態(tài)所需的精度。具體而言，由于電池的充電/放電曲線的平坦度，電池電壓和電池組電流的測量精度至關(guān)重要。此外，電池管理解決方案有時會結(jié)合庫侖計數(shù)——測量進出電池組的安培秒流量——作為交叉檢查以估計整個堆棧的充電狀態(tài)。