鋰離子電池管理確保電動(dòng)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(dòng)工具、踏板車和電動(dòng)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(dòng)汽車的車輛級(jí)關(guān)心，包括續(xù)航里程、電池組使用壽命和充電時(shí)間，更不用說(shuō)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(lái)看，電池組的關(guān)鍵性能指標(biāo) (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(duì)汽車電子設(shè)備的電池組“保養(yǎng)和供電”造成了相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)。

鋰離子電池的使用要求電池管理單元 (BMU) 在共模電壓超過(guò)數(shù)百伏的嘈雜電氣環(huán)境中“突破”測(cè)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(kù)侖計(jì)數(shù)等關(guān)鍵功能，同時(shí)確保整個(gè)電池組在符合嚴(yán)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(jì)的兩個(gè)主要品質(zhì)因數(shù)。這些品質(zhì)因數(shù)由幾個(gè)車輛級(jí)性能參數(shù)驅(qū)動(dòng);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(chǔ)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(yùn)動(dòng)的牽引驅(qū)動(dòng)裝置。這使得在多個(gè) EV 平臺(tái)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(dāng)今的汽車電氣化中很普遍。盡管如此，鋰離子電池也有缺點(diǎn)。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(fèi)產(chǎn)品的熱失控問(wèn)題所證明的那樣。最后，鋰離子是一項(xiàng)昂貴的技術(shù)，不僅因?yàn)闃?gòu)成電池的特殊材料，還因?yàn)闉榱藘?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(lái)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(guò)程中(甚至在放電時(shí))達(dá)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(dòng)汽車的有吸引力的能源，因?yàn)殡姵卦诤軐挼倪\(yùn)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(lái)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(yuǎn)。

不同的材料構(gòu)成陽(yáng)極/陰極，這會(huì)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(yáng)極/陰極材料。當(dāng)充電電流低于電池額定電流的 3% 時(shí)，電池被認(rèn)為已充滿電。雖然提高充電電流不會(huì)影響總充電時(shí)間，但它可以加速時(shí)間達(dá)到約 70% 容量的平臺(tái)期。

事實(shí)上，將電池充電到低于 100% 的電量對(duì)于延長(zhǎng)使用壽命是可取的，因?yàn)殇囯x子電池?zé)o法接受過(guò)度充電而不會(huì)造成電池?fù)p壞和/或安全性受損。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須權(quán)衡范圍/充電、電池使用壽命、安全性和充電時(shí)間等參數(shù)。

還有其他挑戰(zhàn)和細(xì)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(guò)度充電或充電不足的問(wèn)題變得復(fù)雜。BMU 實(shí)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(gè)電池)實(shí)際上處于相同的充電水平。

出于多種原因，監(jiān)測(cè)電池溫度也很重要。充電過(guò)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(jìn)行補(bǔ)償。

最后，即使充電和放電受到嚴(yán)格控制，電池的容量也會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降，因?yàn)樗?jīng)歷了許多充電和放電循環(huán)。電動(dòng)汽車可以通過(guò)傳達(dá)車輛剩余的里程而不是電池容量或充電狀態(tài)來(lái)彌補(bǔ)這一點(diǎn)。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(kuò)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(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 電池包含數(shù)百個(gè)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(guò)適當(dāng)?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(dú)診斷和平衡串聯(lián)中的每個(gè)單元。

如果目標(biāo)是優(yōu)化車輛級(jí) KPI，則信號(hào)路徑必須提供估計(jì)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(cè)量精度至關(guān)重要。此外，電池管理解決方案有時(shí)會(huì)結(jié)合庫(kù)侖計(jì)數(shù)——測(cè)量進(jìn)出電池組的安培秒流量——作為交叉檢查以估計(jì)整個(gè)堆棧的充電狀態(tài)。