電池管理和連接器對(duì)電動(dòng)汽車竟如此重要

電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)必須面對(duì)這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)——所有BMS問題在某種程度上都是相互關(guān)聯(lián)而非孤立的（圖1）。因此，當(dāng)BMS隨著電池的狀況或狀態(tài)發(fā)生變化而處理相應(yīng)的問題時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一種「漣漪效應(yīng)」。BMS體系結(jié)構(gòu)的一大目標(biāo)是盡可能地把這些子功能分離開，讓每一項(xiàng)子功能都可以獨(dú)立優(yōu)化，從而有助于實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化設(shè)計(jì)。

電子工程師只要和電動(dòng)汽車 (包括純電動(dòng)和混合電動(dòng)) 打交道，往往都要在工作中運(yùn)用各種電池技術(shù)，它們一般都屬于某種形式的鋰離子化學(xué)。然而，如果要管理構(gòu)成電池組的大量電池，僅憑這些技術(shù)是力不從心的，因此設(shè)計(jì)人員必須實(shí)施電池管理系統(tǒng) (BMS)，以此來：

? 保護(hù)單個(gè)電池和整個(gè)電池組不受損壞
? 延長(zhǎng)電池壽命

一旦把這些目標(biāo)具體化，你將會(huì)收獲一份冗長(zhǎng)的清單，包含電池保護(hù)、充電控制、充電狀態(tài)確定、健康狀態(tài)確定和電池平衡等功能。本文著眼于BMS的功能之一——電池平衡，它在電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)人員必須解決的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)中非常具有代表性。

電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)必須面對(duì)這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)——所有BMS問題在某種程度上都是相互關(guān)聯(lián)而非孤立的（圖1）。因此，當(dāng)BMS隨著電池的狀況或狀態(tài)發(fā)生變化而處理相應(yīng)的問題時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一種「漣漪效應(yīng)」。BMS體系結(jié)構(gòu)的一大目標(biāo)是盡可能地把這些子功能分離開，讓每一項(xiàng)子功能都可以獨(dú)立優(yōu)化，從而有助于實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1：在電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)中，電池管理系統(tǒng)是最重要的子系統(tǒng)之一。這是一個(gè)涵蓋硬件、軟件和電池化學(xué)等方面的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及許多與「正?！惯\(yùn)行有關(guān)的利弊權(quán)衡和判斷。圖片來源：Maxim Integrated, "The Automotive Experience"（汽車體驗(yàn)）

此外，就如同大多數(shù)工程決策一樣，能夠?qū)崿F(xiàn)給定目標(biāo)的單一「正確」方法是不存在的。每種方法都需要在外形和包裝尺寸、可替換單元、重量、數(shù)據(jù)完整性、系統(tǒng)置信度和成本之間進(jìn)行權(quán)衡。具體采用何種方法，還取決于所要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，諸如更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間、更長(zhǎng)的電池組壽命、電池組對(duì)個(gè)別電池表現(xiàn)不佳的容忍度，還有安全性的問題。因此，「最佳」的解決方案取決于設(shè)計(jì)中需要優(yōu)先解決的問題。

電池平衡是一個(gè)復(fù)雜的問題

對(duì)于由多個(gè)電池組成的電池組而言，一個(gè)繞不開的事實(shí)就是每個(gè)電池之間總存在微小的差異，這種差異源自于不同的生產(chǎn)和運(yùn)行條件（特別是溫度梯度，對(duì)于大型電池組而言可能更明顯）。每次充放電循環(huán)都會(huì)放大這種差異，致使性能較弱的電池變得更弱，直至最終失效，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)電池組過早失效。

電池平衡則嘗試讓電池組中所有電池上的電荷達(dá)成均衡狀態(tài)，來補(bǔ)償性能較弱的電池帶來的影響。業(yè)界現(xiàn)已開發(fā)出多種電池平衡方法來解決這個(gè)問題。電池平衡方法還涉及電池化學(xué)的一個(gè)函數(shù)關(guān)系：鋰電池更能夠耐受混合電動(dòng)汽車產(chǎn)生的「微」充放電循環(huán)，但卻更容易受到電池間差異的影響。然而，鉛酸電池組和鎳氫電池組卻天然地存在一種電池平衡機(jī)制，因?yàn)榇祟愲姵卦诔錆M電后，會(huì)通過放出氣體來釋放多余的能量，因而只需延長(zhǎng)充電時(shí)間，就可以讓性能較弱的電池也充滿電。

主動(dòng)平衡和被動(dòng)平衡是最常見的兩種電池平衡技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用中還存在電荷分流、無損平衡等其他方法，但任何一種方法都逃不過艱難的利弊權(quán)衡。不論主動(dòng)平衡還是被動(dòng)平衡，它們都始于監(jiān)視每個(gè)電池的充電狀態(tài) (SOC)。該狀態(tài)通過對(duì)流入和流出電池的電流進(jìn)行「庫(kù)侖計(jì)數(shù)」來測(cè)量，有時(shí)電池阻抗測(cè)量也可以作為一種補(bǔ)充。在某些情況下，只對(duì)每個(gè)電池上的電壓進(jìn)行測(cè)量即可。然后，開關(guān)電路會(huì)在充電過程中控制施加到每個(gè)單獨(dú)電池的電荷，以均衡電池組中所有電池的電荷。

在主動(dòng)平衡中，電池管理系統(tǒng)會(huì)將電荷從電量較高的電池傳輸?shù)诫娏枯^低的電池。這個(gè)過程非常耗時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)電池都必須得到評(píng)估，而電池總數(shù)可能會(huì)多達(dá)成百上千個(gè)。部分主動(dòng)電池平衡方案采用的做法是停止對(duì)電量已滿的電池進(jìn)行充電，同時(shí)繼續(xù)對(duì)性能較弱的電池充電，直至所有電池都充滿，從而盡可能充分地利用電池的充電容量。

在被動(dòng)平衡中，電量較高的電池多出的能量會(huì)通過旁路電阻自動(dòng)消耗掉，直至其電壓或電荷與性能較弱的電池上的電壓相同。這是一種低成本做法，但旁路電阻會(huì)浪費(fèi)一部分能量，并使整個(gè)電池組的性能完全取決于性能最弱的電池。無論采用何種方法，要擠出容量和性能的最后一個(gè)百分點(diǎn)，都將大大增加BMS系統(tǒng)復(fù)雜性、BOM大小、硬件大小和成本以及軟件集成問題。

針對(duì)BMS和電池平衡面臨的這項(xiàng)挑戰(zhàn)，Maxim Integrated的MAX14920和與之類似的MAX14921兩款電池測(cè)量模擬前端 (AFE) 集成電路可以對(duì)電池組中的電池電壓進(jìn)行準(zhǔn)確采樣，最高支持+65V電壓；MAX14920最多支持12個(gè)電池，而MAX14921最多支持16個(gè)電池，除此以外兩者完全一致 (圖2)。該器件同時(shí)對(duì)所有電池電壓采樣，以準(zhǔn)確確定充電狀態(tài)和源電阻，這對(duì)于大型電池組而言是一項(xiàng)節(jié)省時(shí)間的功能。所有電池電壓均在單位增益上進(jìn)行電平移位，使之以接地電壓作為參考，極大地簡(jiǎn)化了外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換修正工作。

圖2：Maxim的MAX14920和與之類似的MAX14921電池測(cè)量模擬前端 (AFE) 集成電路旨在簡(jiǎn)化對(duì)電池組中諸多電池之間進(jìn)行電池平衡這一關(guān)鍵任務(wù)。(圖片來源：Maxim Integrated)

被動(dòng)電池平衡可借助外部FET驅(qū)動(dòng)器來支持。這兩款產(chǎn)品中集成的診斷功能可進(jìn)行斷線檢測(cè)以及發(fā)出欠壓/過壓警報(bào)，以進(jìn)一步保障系統(tǒng)完整性。兩款產(chǎn)品的BMS器件均由可實(shí)現(xiàn)菊鏈連接的SPI接口控制，因而通過單個(gè)SPI端口即可進(jìn)行連接、尋址和管理，并且在SPI控制部分能夠以任意順序選擇任何電池電壓讀數(shù) (圖3)。

圖3：BMS的電池平衡功能可以通過Maxim MAX14920/MAX14921的SPI控制，以任意順序選擇任何電池電壓讀數(shù)。(圖片來源：Maxim Integrated)

要監(jiān)控電池，就必須面對(duì)準(zhǔn)確性的問題，對(duì)于放電曲線非常平坦的化學(xué)物質(zhì)尤其如此。這兩款Maxim產(chǎn)品都具有很高的精度，非常適合監(jiān)控鋰金屬磷酸鹽等放電曲線平坦的電池化學(xué)反應(yīng)。它們帶有低噪聲、低失調(diào)的放大器，可緩沖不超過+5V的任何差分電壓，從而可以監(jiān)控各種常見的鋰離子 (Li+) 電池技術(shù)。

結(jié)合內(nèi)部自校準(zhǔn)功能，兩款產(chǎn)品測(cè)得的電池電壓誤差均為±0.5mV。它們的額定溫度范圍寬達(dá)?40°C至+85°C，這是電動(dòng)汽車工作環(huán)境所必需的。

大電流下的連接器選型不容馬虎

對(duì)于以往接觸過的「高功率」不超過數(shù)百瓦，或者只處理過10A以下電流的工程師而言，要想實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車電源互聯(lián)，需要采用完全不同于過往的思路。在電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中，大電流、高電壓是各種子系統(tǒng)和組件之間的常態(tài)，為此設(shè)計(jì)人員必須選用合適的線對(duì)板和線對(duì)線連接器，在非常困難的振動(dòng)、應(yīng)力和溫度條件下，滿足頗具挑戰(zhàn)性的功率容量、插拔壽命和機(jī)械強(qiáng)度要求。正因如此，在選用與電池子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的電源連接器時(shí)，其特殊性不容忽視。電動(dòng)汽車環(huán)境中的大電流、高電壓?jiǎn)栴}容不得任何「投機(jī)取巧」或「以后再說」的態(tài)度——這是必須在設(shè)計(jì)過程的早期就重點(diǎn)解決的問題。

Phoenix Contact的E-Mobility解決方案就是一種適用于電動(dòng)汽車平臺(tái)的連接器產(chǎn)品系列。該系列各種單品采用多種外殼樣式和觸點(diǎn)布局形式，支持AWG 12和AWG 16兩種線規(guī)（具體取決于所選的觸點(diǎn)布局），最高可支持25A電流；尺寸為12的觸點(diǎn)可接受AWG 12 – AWG 14；尺寸為16的觸點(diǎn)可接受AWG 14 – AWG 20。

組合充電系統(tǒng) (CCS) 是一種用于電動(dòng)汽車的標(biāo)準(zhǔn)化充電系統(tǒng)，支持常規(guī)交流充電和直流快速充電，這兩種連接器均可以插入到CCS汽車端插座中。Phoenix Contact E-Mobility提供符合多種直流快速充電和交流充電連接器國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的各式充電插頭。除了全面的產(chǎn)品組合外，Phoenix Contact還可以針對(duì)客戶的特殊要求（甚至是標(biāo)準(zhǔn)未涵蓋的要求）開發(fā)個(gè)性化解決方案。

Phoenix Contact可提供全方位的電動(dòng)汽車充電解決方案，包括出自單一來源并符合Type 1、Type 2或GB/T標(biāo)準(zhǔn)的連接器，以及適用于各種E-Mobility應(yīng)用的充電控制器，涵蓋從家用和商用，到大型、公用電動(dòng)汽車充電控制器，再到定制解決方案的各種應(yīng)用場(chǎng)景。

總結(jié)

電動(dòng)汽車所需的電力源自電池和電池組中無形但至關(guān)重要的化學(xué)反應(yīng)，而在將電流輸送到所需位置的路上，有形而又顯眼的連接器和觸點(diǎn)則構(gòu)成了一個(gè)個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，必須在諸多細(xì)節(jié)方面加以高度關(guān)注和謹(jǐn)慎處理。電動(dòng)汽車中的器件在電壓和功率水平、工作環(huán)境和用戶期望等方面具有顯著的特殊性，因而對(duì)便攜式消費(fèi)類設(shè)備并不構(gòu)成多大影響的問題，在電動(dòng)汽車中卻可能關(guān)系重大，這些問題包括電池組在極端條件乃至非正常條件下的性能（包括散熱處理、電池平衡）、連接器IR壓降，以及如何讓連接器在固定牢靠的同時(shí)又易于拔出，等等。這些問題必須從多個(gè)角度加以審視和解決，并且要明確關(guān)注目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)、需要權(quán)衡的方面以及各種解決方案之間的相互作用。

(作者：Bill Schweber)