混合動力電動汽車的電池管理架構(gòu)分析

用于電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(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，電動汽車和混合動力電動汽車就有潛力與傳統(tǒng)汽車競爭。

一個電池規(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)計工程師帶來了挑戰(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到原來的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。

汽車制造商一般要求電池壽命超過10年，且對必需的可用電池容量做了規(guī)定。電池系統(tǒng)設(shè)計工程師面臨的挑戰(zhàn)是必須竭盡所能用最小的電池組實現(xiàn)最大的容量。為達(dá)到這個目標(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。

電動汽車電池組系統(tǒng)

電動汽車電池組由多個電池串聯(lián)疊置組成。一個典型的電池組大約有96個電池，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400V的總電壓。盡管汽車電源系統(tǒng)將電池組看作單個高壓電池，每次都對整個電池組進(jìn)行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨立考慮每個電池的情況。如果電池組中的一個電池容量稍微低于其他電池，那么經(jīng)過多個充電/放電周期后，其充電狀態(tài)將逐漸偏離其它電池。如果這個電池的充電狀態(tài)沒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，必須有一個裝置讓電池單獨充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。

圖1：并行獨立CAN模塊。

電池組監(jiān)視系統(tǒng)的一個重要考慮因素是通信接口。就PC板內(nèi)的通信而言，常用的選項包括串行外設(shè)接口(SPI)總線、I2C總線，每種總線的通信開銷都很低，適用于低干擾環(huán)境。另一個選項是控制器局域網(wǎng)(CAN)總線，這種總線在汽車應(yīng)用中被廣泛使用。CAN總線非常魯棒，具有誤差檢測和故障容限特性，但是它的通信開銷很大，材料成本也很高。盡管從電池系統(tǒng)到汽車主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)計工程師能夠滿足這些苛刻要求的器件。LTC6802是一個電池組監(jiān)視器IC，能測量多達(dá)12個疊置電池的電壓。LTC6802還有內(nèi)部開關(guān)，使電池可以單獨放電，以便它們能與電池組中的其它電池進(jìn)入平衡狀態(tài)。

為說明電池組架構(gòu)，考慮一個具有96個鋰離子電池的系統(tǒng)。這將需要8個LTC6802來監(jiān)視整個電池組，其中每個器件工作在不同的電壓。當(dāng)采用4.2V鋰離子電池時，底端監(jiān)視器件將跨接在12個電池上,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，順著電池組依此類推。這些器件之間在不同的電壓上進(jìn)行通信帶來了難以克服的挑戰(zhàn)。人們已經(jīng)考慮過多種方法，但由于汽車制造商優(yōu)先考慮的重點不同，每種方法都有優(yōu)點和缺點。

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，至少有5個需要平衡的主要要求。它們的相對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，汽車是一種噪聲系統(tǒng)，在很大的頻率范圍內(nèi)存在電磁干擾。任何的準(zhǔn)確性降低都會對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)心的主要安全問題。相對于嚴(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)中確保對整個電池壽命期的全面控制。為最大限度減少假的和真的故障，一個良好設(shè)計的電池組系統(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。
3. 可制造性?，F(xiàn)代的汽車已包含大量采用復(fù)雜布線線束的電子產(chǎn)品。就汽車制造而言，增加復(fù)雜的電子電路和配線以支持電動汽車/混合動力電動汽車電池系統(tǒng)會使復(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熄火后防止電池過度放電。

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)一個由96個電池組成的系統(tǒng)以12個電池為一組分成8組，表中對這種情況下的每種架構(gòu)的優(yōu)點和缺點進(jìn)行了總結(jié)。在每種情況下，一個LTC6802監(jiān)視一個由12個電池組成的電池組。每種架構(gòu)都設(shè)計為一個自主的電池監(jiān)視系統(tǒng)，都提供到汽車主CAN總線的CAN總線接口，且與汽車的其余部分是電流隔離的。

1．并行獨立CAN模塊(如圖1)

每個由12個電池組成的模塊都含有一個電路板，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)會使汽車的主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)

每個由12個電池組成的模塊都含有一個電路板，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主CAN總線的網(wǎng)關(guān)。

3．具CAN網(wǎng)關(guān)的單個監(jiān)視模塊(圖3)

在這種配置中，由12個電池組成的模塊內(nèi)部沒有監(jiān)視和控制電路，而是在單個電路板上有8個LTC6802監(jiān)視器IC，每個IC都連接到其電池模塊。LTC6802器件通過非隔離SPI兼容串行接口通信。單個微控制器通過SPI兼容串行接口控制全部電池組監(jiān)視器，并充當(dāng)?shù)狡囍鰿AN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)類似于單個監(jiān)視模塊，除了每個LTC6802都在由12個電池組成的模塊內(nèi)部的電路板上。這8個模塊通過LTC6802非隔離SPI兼容串行接口通信，這需要在電池模塊對之間連接3或4個傳導(dǎo)電纜。單個微控制器通過底部監(jiān)視器IC控制全部電池組監(jiān)視器，同時兼作到汽車主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)生問題。為應(yīng)對復(fù)雜性提高的問題，設(shè)計工程師需要實現(xiàn)到每個監(jiān)視器器件的獨立通信。第3種和第4種架構(gòu)都是限制最少的簡化方法。LTC6802可滿足所有這4種配置的需求，系統(tǒng)設(shè)計工程師可以選擇LTC6802的兩個版本，一個用于串行配置，一個用于并行配置。

LTC6802-1用于疊置式SPI接口配置。多個LTC6802-1器件可以通過一個接口串行連接，該接口無需外部電平移位器或隔離器就可沿著電池組來回發(fā)送數(shù)據(jù)。LTC6802-2允許單個器件用在并行架構(gòu)中。這兩個版本器件具有同樣的電池監(jiān)視規(guī)格和功能。

電動汽車對電池組有大量需求。汽車制造商希望具經(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)帶來很大的靈活性。