電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)環(huán)境與電源管理電路分析

　　正如亨利福特于1923年所說(shuō)：“即使僅節(jié)省幾磅的汽車(chē)重量……也意味著它們能開(kāi)得更快，并且消耗更少的燃料。”這個(gè)永恒真理正是鋰電池化學(xué)產(chǎn)業(yè)憑借更高比能（焦耳/千克）引領(lǐng)世界向下一代更具重量效益、插電式電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的理由。

　　但我們對(duì)筆記本電腦的鋰離子電池爆炸案記憶猶新，當(dāng)再度考慮到電動(dòng)汽車(chē)電池更大的總能量時(shí)，該事件更是被進(jìn)一步放大。這方面的顧慮及其它因素促進(jìn)了高度智能的電池管理系統(tǒng)（BMS）的發(fā)展。這種電池管理系統(tǒng)需要與大功率電池充電系統(tǒng)通訊來(lái)滿足諸如安全、成本、電池壽命、汽車(chē)行程（又名里程焦慮）和整夜充電等要求——為了達(dá)到更低的碳排放和更高的燃油經(jīng)濟(jì)性需要做出的所有痛苦讓步。

　　隨著汽車(chē)OEM廠商對(duì)下一代電池管理和充電系統(tǒng)要求的確定，半導(dǎo)體公司正在推進(jìn)預(yù)期能夠滿足這些要求的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。本文將要討論與插電式混合動(dòng)力汽車(chē)（PHEV）中的大功率（》3kW）、脫機(jī)式電池充電器的開(kāi)發(fā)相關(guān)的設(shè)計(jì)要求、架構(gòu)和挑戰(zhàn)，并展示為何要為這類(lèi)應(yīng)用建立數(shù)字電源架構(gòu)。

　　電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)環(huán)境

　　電動(dòng)交通工具泛指使用高壓電池和電動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行推進(jìn)的車(chē)輛。與僅用內(nèi)燃機(jī)（ICE）提供動(dòng)力的汽車(chē)相比，這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于電動(dòng)馬達(dá)在產(chǎn)生扭矩（特別是在加速過(guò)程中）時(shí)要比ICE高效得多。另外，電動(dòng)汽車(chē)可以在行車(chē)時(shí)回收動(dòng)能，而其它汽車(chē)只能以熱量的形式損耗掉。

　　混合動(dòng)力汽車(chē)（HEV）與新興的PHEV汽車(chē)不同，它們使用較低容量的電池和電動(dòng)馬達(dá)輔助主要ICE加速。這種混合扭矩加上再生制動(dòng)能力可進(jìn)一步改善燃油利用率，并減少碳排放。

　　然而，減少排放還不能完全滿足針對(duì)汽車(chē)零排放的最新法律要求。因此，作為新興汽車(chē)，PHEV的動(dòng)力完全來(lái)自于潔凈電網(wǎng)能量1。

　　所謂的串聯(lián)電動(dòng)汽車(chē)與并聯(lián)HEV不同，不從兩種來(lái)源混合扭矩。所有推進(jìn)扭矩來(lái)自更大的電動(dòng)馬達(dá)，一般大于80kW。在某些情況下會(huì)增加一個(gè)性能經(jīng)過(guò)優(yōu)化的小型里程延伸ICE，用于解決純電動(dòng)汽車(chē)電池的里程限制問(wèn)題2。ICE用作發(fā)電機(jī)給電動(dòng)馬達(dá)供電，并給電池充電。不管是在PHEV還是HEV中，增加高壓電池和電動(dòng)馬達(dá)從根本上改變了汽車(chē)的電氣、機(jī)械和安全系統(tǒng)。因此最終需要復(fù)雜和高度智能的功率電子和電池管理系統(tǒng)。

　　電池設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　過(guò)去100年內(nèi)，工程師已經(jīng)將汽油推進(jìn)系統(tǒng)改進(jìn)得十分完善?，F(xiàn)在，OEM及其供貨商一改過(guò)去的方式，開(kāi)始組成聯(lián)盟，突破常規(guī)，集中力量?jī)?yōu)化電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)。

　　但電動(dòng)推進(jìn)的高成本表現(xiàn)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和組件復(fù)雜度方面，需要用復(fù)雜和容錯(cuò)性的汽車(chē)智能和功率電子系統(tǒng)連續(xù)管理數(shù)十千瓦的功率。

　　考慮在傳統(tǒng)汽油動(dòng)力汽車(chē)中測(cè)量油量的簡(jiǎn)單任務(wù)。根據(jù)具體的汽車(chē)，油量表可能只是由連接到一個(gè)發(fā)送部件的加熱線圈驅(qū)動(dòng)的雙金屬條。而在電動(dòng)汽車(chē)中，‘油箱’是由串聯(lián)/并聯(lián)著的許多電池單元（可能100節(jié)或以上）組成的高壓電池。對(duì)電荷狀態(tài)（SOC）的精確判斷要求對(duì)每節(jié)電池進(jìn)行精確的電壓測(cè)量（在幾毫伏內(nèi)）。

　　這是電池管理系統(tǒng)的工作。BMS是一個(gè)高精度的系統(tǒng)，用于向中央處理器報(bào)告有關(guān)電池單元的電壓、電流和溫度等詳細(xì)信息，然后由中央處理器負(fù)責(zé)計(jì)算電池的SOC（也就是汽車(chē)的油量）。不能精確地測(cè)量電池不僅會(huì)誤報(bào)電池SOC，還會(huì)縮短電池服務(wù)壽命，或產(chǎn)生不安全和潛在性的災(zāi)情。

　　為了避免出現(xiàn)這種情況，業(yè)界開(kāi)發(fā)出了滿足ISO26262之類(lèi)新興標(biāo)準(zhǔn)的IC，它們通過(guò)硬件內(nèi)建測(cè)試功能，以及為電池單元的過(guò)壓/欠壓監(jiān)視等安全關(guān)鍵功能提供的N+1冗余保護(hù)確保系統(tǒng)可靠地工作。如果電池組中的一節(jié)電池被迫進(jìn)入深度放電狀態(tài)，或被過(guò)度充電，這節(jié)電池可能永久性損壞，并可能出現(xiàn)熱失控——自我破壞狀態(tài)。因此，除了主要的電池監(jiān)視系統(tǒng)外還需要二級(jí)保護(hù)。

　　更先進(jìn)的BMS將同步電壓和電流測(cè)量，并作為連續(xù)測(cè)量電池阻抗的一種方式。阻抗是電池健康狀態(tài)（SOH）的一個(gè)重要指示。

　　圖1：針對(duì)多單元數(shù)量應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)。

　　圖1顯示了足以用來(lái)測(cè)量電池SOC和SOH的典型電池單元配置和BMS。請(qǐng)注意，串聯(lián)電池組中的任何一節(jié)電池單元都會(huì)限制整個(gè)電池組容量。換句話說(shuō)，如果某節(jié)電池單元先于其它電池達(dá)到了最大或最小電壓，充電或放電周期必須被中斷。（圖中用綠色標(biāo)示的）單元平衡電路用于確保所有單元被均勻一致地充電和放電。

　　電池充電器的基本原理

　　電動(dòng)汽車(chē)充電器是根據(jù)輸出功率/輸入電壓分類(lèi)的。一類(lèi)充電器通常整合在電路板上，輸入的是95V至265V的交流電壓，充電能力在1.5kW和3.3kW之間。專(zhuān)用的二類(lèi)和三類(lèi)充電器工作于240V/480V配線系統(tǒng)，能夠以快得多的速率完成充電，但限于汽車(chē)電池和連接器約束范圍內(nèi)。例如，SAE J1772是目前北美地區(qū)唯一獲得批準(zhǔn)的電動(dòng)汽車(chē)連接器標(biāo)準(zhǔn)，功率限制為16.8kW以下。

　　與用于可攜式電子設(shè)備的電池不同，汽車(chē)級(jí)電池可以適應(yīng)大得多的充電電流，不會(huì)影響電池壽命或接近熱失控。充電器的C額定值被定義為流入電池的電流，正比于用安培/小時(shí)為單位測(cè)量的電池容量。例如，1C充電器將以1A的電流為1Ah電池充電。

　　雖然傳統(tǒng)的鋰離子電池可能限于1C，但一些汽車(chē)電池可以用遠(yuǎn)高于這個(gè)限值的電流充電，從而縮短再次充電時(shí)間。事實(shí)上，工作在480V/三相電壓的大功率三類(lèi)充電器（例如Aker Wade Power Technologies3和其他公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品）給電動(dòng)汽車(chē)電池充電的時(shí)間與加滿一箱油的時(shí)間相近。

　　請(qǐng)注意，電動(dòng)汽車(chē)的電池容量一般是用千瓦/時(shí)表示，通過(guò)將千瓦/時(shí)額定值除以標(biāo)稱(chēng)電池平坦電壓可以將它松散地關(guān)聯(lián)到電池的安培/時(shí)額定值。作為參考點(diǎn)，Nissan Leaf公司整合的一款3.3kW充電器需要用8個(gè)小時(shí)時(shí)間將一個(gè)24kW的電池從10%充電到滿充狀態(tài)。

　　另外需要注意的是，電動(dòng)汽車(chē)電池的放電深度影響電池單元壽命，因此這種電池在充電周期開(kāi)始時(shí)通常需要保留至少10%的電池容量。

　　充電器的架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　板載充電器必須符合嚴(yán)格的電磁兼容性、功率因子和UL/IEC安全標(biāo)準(zhǔn)方面的工業(yè)和政府法規(guī)要求。與所有其它的鋰化學(xué)工業(yè)一樣，電動(dòng)汽車(chē)推進(jìn)電池充電器采用？寧y、？睎？（CC/CV）充電算法，電池先被可程序設(shè)計(jì)的電流源充電，直到它達(dá)到電壓設(shè)置點(diǎn)，然后轉(zhuǎn)入穩(wěn)壓階段，同時(shí)監(jiān)視電池電流作為充電周期完成的指示。

　　充電電流（功率）由BMS、混合控制模塊（HCM）和電動(dòng)汽車(chē)服務(wù)設(shè)備協(xié)商確定，具體取決于使用的輸入電壓、溫度和電池SOC/SOH以及受HCM監(jiān)視的其它系統(tǒng)考慮因素。這種控制算法的安全性和容錯(cuò)性一點(diǎn)也不能打折扣。

　　合適的電源架構(gòu)涉及交錯(cuò)式功率因子校正（PFC）和隨后的相移全橋電路，如圖2所示。控制回饋參數(shù)由微控制器數(shù)字化。這個(gè)微控制器能夠以數(shù)字方式關(guān)閉多個(gè)控制環(huán)路，并精確地調(diào)變高壓MOSFET開(kāi)關(guān)。

　　圖2：連接交錯(cuò)式PFC和相移橋的數(shù)字控制接口。

　　集中和高度智慧的控制機(jī)制可以滿足模擬技術(shù)不容易解決的許多問(wèn)題。

　　更先進(jìn)的微控制器整合有協(xié)處理器（控制律加速器）和多個(gè)高分辨率脈寬調(diào)變器（PWM），前者用于加速控制環(huán)路傳輸函數(shù)的運(yùn)算，后者能夠控制功率開(kāi)關(guān)在150ps內(nèi)。這種架構(gòu)能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)線路和負(fù)載的變化，記錄系統(tǒng)操作參數(shù)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)前瞻性的無(wú)差錯(cuò)算法，同時(shí)通過(guò)地氣隔離的控制局域網(wǎng)絡(luò)智能地連接所有其它汽車(chē)子系統(tǒng)。

　　最近在數(shù)字電源方面的發(fā)展使得這種方法更加可行，更具成本效益、可擴(kuò)展性，并且更適合電動(dòng)汽車(chē)中的大功率多相位應(yīng)用。

　　有經(jīng)驗(yàn)的軟件設(shè)計(jì)師可以免費(fèi)使用針對(duì)數(shù)字補(bǔ)償和實(shí)際上每種電源拓?fù)涞拇笮颓铱蓴U(kuò)展模塊化軟件庫(kù)進(jìn)行整合；另外還能獲得與數(shù)字和模擬電源解決方案作對(duì)比的測(cè)試報(bào)告。例如，考慮圖2所示的兩相交錯(cuò)式PFC功能。PFC升壓開(kāi)關(guān)受實(shí)現(xiàn)多模式PFC的PWM1控制，可以產(chǎn)生電池充電器的兼容電壓。

　　從圖3可以明顯看出這種拓?fù)涞倪m應(yīng)性，其中的數(shù)字補(bǔ)償和相位管理模塊在軟件控制下是可變的。采用數(shù)字技術(shù)還能使系統(tǒng)不易受噪聲和溫度的影響，同時(shí)智能地同步電源級(jí)電路，使干擾最小，并優(yōu)化濾波器設(shè)計(jì)。

　　圖3：大功率PFC方法的軟件模塊化程序設(shè)計(jì)。

　　圖3為升壓PFC的完整代碼模塊。相似代碼構(gòu)造可以用零電壓開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)相移橋，從而使轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)損耗達(dá)到最小，同時(shí)提高效率。