電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著能源緊缺、石油漲價(jià)、城市環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，替代石油的新能源的開發(fā)利用越來越被各國政府所重視。在新能源體系中，電池系統(tǒng)是其中不可或缺的重要組成部分。近年來，以鋰電池為動(dòng)力的電動(dòng)自行車、混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車、燃料電池汽車等受到了市場(chǎng)越來越多的關(guān)注。動(dòng)力電池在交通領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)于減少溫室氣體的排放、降低大氣污染以及新能源的應(yīng)用有著重要的意義。其中鋰電池以高能量密度、高重復(fù)循環(huán)使用次數(shù)、重量輕以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)越來越受到人們的關(guān)注，所以在手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)工具等便攜式手持設(shè)備中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，并已經(jīng)開始進(jìn)入電動(dòng)車、電動(dòng)汽車等大功率的應(yīng)用中，成為全球電動(dòng)汽車發(fā)展的熱點(diǎn)

但是由于鋰電池在加熱、過充/過放電流、振動(dòng)、擠壓等濫用條件下可能導(dǎo)致電池壽命縮短以致?lián)p壞，甚至?xí)l(fā)生著火、爆炸等事件，因此安全性問題成為動(dòng)力鋰電池商業(yè)化推廣的主要制約因素。安全型、低成本、長壽命鋰離子電池的安全標(biāo)準(zhǔn)、安全評(píng)價(jià)方法、電池制造過程的安全與可靠性控制以及通過正負(fù)極材料、電解質(zhì)與隔膜優(yōu)選改善電池安全與可靠性是實(shí)現(xiàn)確保大型動(dòng)力鋰離子電池安全可靠，實(shí)用化的關(guān)鍵。而電池管理系統(tǒng)作為電池保護(hù)和管理的核心部件，不僅要保證電池安全可靠的使用，而且要充分發(fā)揮電池的能力和延長使用壽命，作為電池和車輛管理系統(tǒng)以及駕駛者溝通的橋梁，電池管理系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車性能起著越來越關(guān)鍵的作用。

電池管理系統(tǒng)的主要功能

電池管理系統(tǒng)與電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池緊密結(jié)合在一起，對(duì)電池的電壓、電流、溫度進(jìn)行時(shí)刻檢測(cè)，同時(shí)還進(jìn)行漏電檢測(cè)、熱管理、電池均衡管理、報(bào)警提醒，計(jì)算剩余容量、放電功率，報(bào)告SOC&SOH狀態(tài)，還根據(jù)電池的電壓電流及溫度用算法控制最大輸出功率以獲得最大行駛里程、以及用算法控制充電機(jī)進(jìn)行最佳電流的充電，通過CAN總線接口與車載總控制器、電機(jī)控制器、能量控制系統(tǒng)、車載顯示系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。圖1為電池管理系統(tǒng)的簡單框圖。

圖1：為電池管理系統(tǒng)的簡單框圖

電池管理系統(tǒng)的基本功能：1）監(jiān)測(cè)單體電芯的工作狀況，例如單體電池電壓、工作電流、環(huán)境溫度等。2）保護(hù)電池，避免電池工作在極端的條件下發(fā)生電池壽命縮短，損壞，甚至發(fā)生爆炸、起火等危害人身安全的事故。

一般而言，電池管理系統(tǒng)必須具備以下電路保護(hù)功能：過壓和欠壓保護(hù)、過流和短路保護(hù)、過高溫和過低溫保護(hù)、為電池提供多重保護(hù)以提高保護(hù)和管理系統(tǒng)的可靠性(硬件執(zhí)行的保護(hù)具有高可靠性、軟件執(zhí)行的保護(hù)具有更高的靈活性、管理系統(tǒng)關(guān)鍵元器件失效的保護(hù)為用戶提供第三重保護(hù))。這些功能可以滿足大部分手機(jī)電池、電動(dòng)工具和電動(dòng)自行車應(yīng)用的需要。

電動(dòng)汽車對(duì)電池管理系統(tǒng)提出更高挑戰(zhàn)

電動(dòng)汽車電池集成系統(tǒng)是一個(gè)開放的動(dòng)力系統(tǒng)，它通過汽車級(jí)CAN總線進(jìn)行通信，和車輛管理系統(tǒng)、充電機(jī)、電機(jī)控制器協(xié)同工作，以滿足汽車以人為本的安全駕駛理念。因此汽車級(jí)電池管理系統(tǒng)必須做到：滿足TS16949 和汽車電子的要求、實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和高可靠性、汽車級(jí)CAN總線通訊、高抗電磁干擾的能力(最高級(jí)別的EMI/EMC要求)、在線診斷功能。

其主要功能為：電池電壓和溫度等信息的高速采集；實(shí)現(xiàn)電池高效率均衡，充分發(fā)揮電池集成系統(tǒng)的容量從而提高電池集成系統(tǒng)的壽命，同時(shí)減小熱量的產(chǎn)生；電池的健康狀況和剩余電量的估算和顯示；高可靠的通訊協(xié)議(汽車級(jí)CAN通訊網(wǎng)絡(luò))；動(dòng)力總成技術(shù)要保證電池發(fā)生任何安全使用的前提下，充分發(fā)揮電池的潛力，保證電池的性能，提高電池的壽命；電池的溫度和散熱管理，是電池系統(tǒng)工作在溫度相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件；漏電檢測(cè)以及復(fù)雜的地線設(shè)計(jì)。

由于電動(dòng)汽車中電池的分布環(huán)境非常復(fù)雜，處于高壓大功率的工作狀態(tài)，對(duì)EMI/EMC要求非常高，這就為電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了更大的挑戰(zhàn)。

電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的層次化、模塊化設(shè)計(jì)

由于電動(dòng)車電池系統(tǒng)是由成百上千個(gè)電芯單元集成，考慮到汽車的空間、重量的分配和安全的要求，這些電芯單元被劃分成標(biāo)準(zhǔn)的電池模塊，分布在汽車底盤不同的位置，由動(dòng)力總成和中央處理單元統(tǒng)一管理；每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池模塊也是有多個(gè)電芯通過并聯(lián)和串聯(lián)組成，由模塊的電控單元進(jìn)行管理，通過CAN總線把電池模塊的信息匯報(bào)給中央處理器和動(dòng)力總成單元，中央處理器和動(dòng)力總成單元把這些信息經(jīng)過處理以后，把最終的有關(guān)集成系統(tǒng)的信息如剩余電量、健康狀況以及電池的能力相關(guān)信息等通過CAN總線匯報(bào)給車輛管理系統(tǒng)。電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)的層次化，模塊化的設(shè)計(jì)就要求電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層次化、模塊化(圖2)。

圖2：層次化、模塊化的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

電池管理系統(tǒng)的芯片集成技術(shù)

汽車電池系統(tǒng)的可靠性要求極高，特別是高壓監(jiān)控部分，電池均衡部分，由于集成的解決方案少，很多方案采用分立元件搭配而成，導(dǎo)致：元件匹配度不好，信號(hào)采集的精度下降；外部節(jié)點(diǎn)增多，難以做到自動(dòng)化測(cè)試，提高測(cè)試成本，降低測(cè)試覆蓋率，系統(tǒng)可靠性低；外部元件的功耗很難控制；系統(tǒng)尺寸大，成本高。

凹凸科技(O2Micro)為全球提供首顆支持>5節(jié)電池串聯(lián)單芯片保護(hù)和檢測(cè)的方案OZ89xx，該方案還支持多芯片級(jí)聯(lián)的應(yīng)用。目前采用該芯片的電池管理系統(tǒng)方案已成功用于純電動(dòng)車和混合動(dòng)力車電池模塊電控單元中。

表1以標(biāo)準(zhǔn)電池模塊為例介紹分立方案和集成方案的比較。由此可見，集成芯片的解決方案對(duì)提高系統(tǒng)的可靠性，降低成本具有十分重要的作用，他是電池集成技術(shù)中硬件設(shè)計(jì)技術(shù)的核心。

本文小結(jié)

未來，動(dòng)力鋰電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域中具有廣闊的前景，而電池管理系統(tǒng)將對(duì)于電池安全使用，以及和車輛管理的溝通起著關(guān)鍵的橋梁作用。電池管理技術(shù)包括硬件設(shè)計(jì)技術(shù)和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，而其中高壓混合信號(hào)處理技術(shù)及芯片設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)核心，不僅是保證在汽車環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高可靠、高速、高精度信號(hào)采集和處理的關(guān)鍵，也是提高測(cè)試覆蓋率、支持在線檢測(cè)和降低成本的關(guān)鍵；而軟件的核心則包括電池管理的算法，通訊協(xié)議的支持以及動(dòng)力總成的相關(guān)技術(shù)等。凹凸科技(O2Micro)是全球主要電池管理解決方案的供應(yīng)商之一，憑借其在電池保護(hù)和管理多年的芯片設(shè)計(jì)和方案設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，掌握了具有國際先進(jìn)水平的電池管理技術(shù)，為全球電池廠商，系統(tǒng)廠商提供了高品質(zhì)技術(shù)服務(wù)，為中國電動(dòng)車的發(fā)展貢獻(xiàn)了自己的力量。

編輯：博子