高壓鋰離子電池組管理——安全供電的保證

　　此外，將SOC保持在特定范圍內(nèi)對于延長電池壽命而言也很重要。電池的荷電狀態(tài)太低或太高都將比保持在中間值更快地發(fā)生性能劣化，而中間這個特定范圍一般是根據(jù)經(jīng)驗得到的。如果允許完全放電，鋰離子電池成分性能將開始惡化，并導(dǎo)致永久損壞。如果允許將鋰離子電池充電到推薦的上限電壓之上，電池可能會發(fā)生過熱，或造成結(jié)構(gòu)的永久變形。

　　在Volt中，通用汽車公司工程師建立了58%至65%的安全SOC窗口，并且可以根據(jù)駕駛模式進(jìn)行調(diào)整。在正常駕駛模式下可以將下限設(shè)置為30% SOC，在“山地駕駛”模式下，可以將下限設(shè)為更高的45%，以確保有足夠的電量上坡，延長行駛時間。當(dāng)Volt達(dá)到合適的SOC下限時，汽車的汽油發(fā)動機(jī)將被啟動，從而延長行駛距離。

　　估計荷電狀態(tài)

　　由于對鋰離子電池的荷電狀態(tài)(SOC)測量不是很可靠，工程師只能進(jìn)行SOC估計，一般采用基于電流或基于電壓的方法進(jìn)行。

　　基于電流的方法可以提供最精確的結(jié)果。這樣的方法會跟蹤荷電的變化，實質(zhì)上是計算充電過程中增加到電池的庫侖數(shù)或在放電周期中減去的庫侖數(shù)，然后判斷相對于滿充狀態(tài)電池的SOC。然而，自放電損失或電池本身的低效有可能使“庫侖計數(shù)”方法出現(xiàn)錯誤。另外，因為連續(xù)監(jiān)視對許多應(yīng)用來說不切實際，因此庫侖計數(shù)法需要使用采樣方法。在汽車應(yīng)用中，這種方法必須足夠快，并能自動跟蹤與加速有關(guān)的快速放電以及與再生制動有關(guān)的快速充電。

　　基于電壓的方法將電池的瞬態(tài)電壓輸出作為進(jìn)一步計算的基礎(chǔ)來估算SOC，它考慮了電池溫度、老化、電流輸出和放電速率等變化因素。當(dāng)與單節(jié)鋰離子電池在多種工作條件下的精確表征數(shù)據(jù)一起使用時，電壓法可以提供精確的SOC估計結(jié)果。對于像Volt這樣的產(chǎn)品化汽車來說，維護(hù)過程需要精確的電池表征，并需要提供特定的工具和程序，使電池管理系統(tǒng)能學(xué)習(xí)新電池模塊的容量——或在必要時重新學(xué)習(xí)電池容量。

　　鋰離子電池的化學(xué)物質(zhì)

　　鋰離子電池包含多種化學(xué)物質(zhì)，每一種在能量密度、效率、耐用性和標(biāo)稱電池電壓方面具有不同的特性。LG Chem公司為Volt制造的電池使用了本公司的錳尖晶石陰極鋰離子化學(xué)物質(zhì)以及專有的安全加強型隔離膜——陶瓷涂覆的半透膜。從整個行業(yè)看，鋰離子電池被制造成多種形式，包括大家熟悉的圓柱體;移動電話中使用的扁平封裝;硬塑棱形封裝。用于Volt的LG Chem原裝電池使用棱形封裝。

　　正如UBM TechInsights和Munro & Associates的分析師描述的那樣，整個雪佛蘭Volt電池組由288節(jié)棱形鋰離子電池組成，這288節(jié)電池又被封裝成96個電池單元組，最終提供分析師測量到的386.6V直流系統(tǒng)電壓。這些電池單元組還要與溫度傳感器和冷卻單元組合在一起形成4個主電池模塊。連接每個電池組的電壓檢測線端接于每個電池模塊頂部的連接器，再由電壓檢測線束將連接器連接到位于每個電池模塊頂部的電池接口模塊。這里有4種顏色編碼的電池接口模塊，它們工作在電池組的不同位置，對應(yīng)4個模塊組的直流電壓偏移的低壓、中壓和高壓范圍。

　　來自電池接口模塊的數(shù)據(jù)向上傳送到電池能量控制模塊。這個控制模塊再將故障條件、狀態(tài)和診斷信息傳送給混合傳動控制模塊，后者作為主控制器完成整車級的診斷。在任何時候，整個系統(tǒng)每隔0.1秒都會運行500次以上診斷。其中85%的診斷主要集中于電池組的安全性，剩下的診斷用于電池性能和壽命。

　　多層電路板

　　對電池性能的后續(xù)分析開始于對電池接口控制模塊的重點拆解(圖3)。這個模塊用了一塊4層PCB板，其中大部分元件安裝在頂層，還有橙色的電池連接器和黑色的數(shù)據(jù)通信連接器。最上層有一個地平面和一些信號走線，有些走線通過多個過孔連接到下面的層。在第2層中，在PCB的高壓區(qū)下方鋪有電源和地平面。第3層包含在這些區(qū)域下方通過的信號走線。PCB的另一面即第4層用于地平面和信號走線，并包含少許輔助元件。

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　　圖3：雪佛蘭Volt中有4塊電池接口控制模塊PCB，每塊PCB整合了多個檢測電路和CAN通信電路，并通過位于通信子系統(tǒng)邊緣的光耦加以隔離。(UBM TechInsights公司提供)

　　黑色的ATLPB-21-2AK PCB安裝型連接器承載有5V基準(zhǔn)、低壓基準(zhǔn)、信號地、CAN總線高速串行數(shù)據(jù)、CAN總線低速串行數(shù)據(jù)以及高壓故障信號。橙色電池連接器承載了電池模塊溫度信號、低壓基準(zhǔn)以及來自電池單元組的電壓檢測線。

　　檢測子系統(tǒng)

　　電池接口控制系統(tǒng)的核心是一個復(fù)雜的檢測子系統(tǒng)——一個完整的嵌入式系統(tǒng)電路，負(fù)責(zé)監(jiān)視每個鋰離子電池組的輸出電壓和電池組的溫度。電池電壓經(jīng)過電池連接器到達(dá)L9763，一塊由意法微電子和LG Chem聯(lián)合開發(fā)的ASIC。

　　L9763 ASIC可以監(jiān)視多達(dá)10個獨立的鋰離子電池組，可以通過片上電流檢測放大器進(jìn)行電池-負(fù)載-電流的監(jiān)視，并通過片上的模擬復(fù)用器和采樣保持電路完成電池電壓的監(jiān)視(圖4)。這個器件的差分輸入可以在大偏移電壓條件下確保毫伏精度的測量，具體取決于電池單元在電池組中的位置。另外，PCB設(shè)計師可以聯(lián)合使用走線版圖技術(shù)、隔離技術(shù)和前面提到的地平面，以確保這種極具挑戰(zhàn)的環(huán)境中信號的完整性。

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　　圖4：L9763 ASIC包含有用于測量Volt電池組的電壓和電流以及通過無源電阻電池平衡技術(shù)平衡這些電池中電量的片上電路。(意法微電子公司提供)

　　根據(jù)這些測量結(jié)果，L9763的片上電路會將個別電池組切換到外部電阻網(wǎng)絡(luò)，以便有選擇性地給電池放電，從而減小由于大的電壓差異引起的應(yīng)力。這種簡單的無源技術(shù)為電池平衡提供了簡單、低成本的解決方案，但損失了效率，因為能量變成了放電電阻上的熱量而損失掉了(圖5)。替代性的電池平衡技術(shù)是使用有源方法，將最高電壓電池的電量存儲起來，并重新分配給最低的電池。這種技術(shù)需要在每節(jié)電池之間順序切換，并使用電容、電感或變壓器來儲存或重新分配電量。雖然有源方法與無源方法相比具有節(jié)省能量的優(yōu)勢，但增加了系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。

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　　圖5：無源電池平衡技術(shù)(左)將高電壓電池切換到放電電阻;有源電池平衡技術(shù)可以依次累積電量到電容上(右)或電感上，或者使用變壓器將電量分配給低電壓電池。(意法微電子提供)。