混合動力電動汽車的電池管理架構研究分析

用于電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)的電池技術已經(jīng)獲得了顯著進步，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。如果設計工程師能有效利用這些技術進步，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，因此應該仔細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行平衡給電池系統(tǒng)設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。為達到這個目標，電池系統(tǒng)必須采用精密的電子電路仔細控制和監(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，那么它最終將進入深度放電狀態(tài)，從而導致?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12個疊置電池的電壓。LTC6802還有內(nèi)部開關，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入平衡狀態(tài)。

　　為說明電池組架構，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)視架構比較。

　　電池監(jiān)視要求

　　在電池監(jiān)視系統(tǒng)架構之間作抉擇時，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. 準確性。為了利用可能的最大電池容量，電池監(jiān)視器需要準確。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準。此外，高能量容量以及有些電池技術潛在的不穩(wěn)定本性是人們擔心的主要安全問題。相對于嚴重的電池故障，在保守性條件下執(zhí)行關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。現(xiàn)代的汽車已包含大量采用復雜布線線束的電子產(chǎn)品。就汽車制造而言，增加復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)會使復雜性更高。總的組件和連接數(shù)量必須盡量地少以滿足 嚴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

　　圖1至圖4給出了4種電池監(jiān)視系統(tǒng)架構。假設一個由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的優(yōu)點和缺點進行了總結。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。每種架構都設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。

　　2．具CAN網(wǎng)關的并行模塊(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。

　　3．具CAN網(wǎng)關的單個監(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?shù)狡囍鰿AN總線的網(wǎng)關。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)關的單個監(jiān)視模塊。

　　4．具CAN網(wǎng)關的串行模塊(圖4)

　　這種架構類似于單個監(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。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)關的串行模塊

　　電池監(jiān)視架構選擇

　　由于并行接口需要大量連接和外部隔離，第1種和第2種架構一般易產(chǎn)生問題。為應對復雜性提高的問題，設計工程師需要實現(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)濟效益的電池系統(tǒng)，以滿足他們嚴格的可靠性要求。凌力爾特公司最新的電池監(jiān)視器IC給系統(tǒng)設計工程師在性能不打折扣的情況下選擇最佳電池組架構帶來很大的靈活性。