混合動力電動汽車電池日常管理解析

1、混合動力電動汽車的電池管理解析 混合動力電動汽車的電池管理解析 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 10 0%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(yīng)該仔細(xì)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(jìn)行平衡給電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師帶來了挑戰(zhàn)。考慮前文提到的利用 40%容量與利用 80% 容量的情況。如果系統(tǒng)將電

2、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。用于電動汽車 (EV) 和混合動力電動汽車 (HEV) 的電池技術(shù)已經(jīng)獲得了顯著進(jìn)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(shè)計(jì)工程師能有效利用這 些技術(shù)進(jìn)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。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(shè) 計(jì)工程師面臨的

3、挑戰(zhàn)是必須竭盡所能用最小的電池組實(shí)現(xiàn)最大的容量。 為達(dá)到這個目標(biāo)， 電 池系統(tǒng)必須采用精密的電子電路仔細(xì)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(jìn)行充電和放電，但電池控制系統(tǒng)必須獨(dú)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(jìn)入深度放電

4、狀態(tài)，從而導(dǎo)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(dú)充電或放電，以平衡這些電池的充電狀態(tài)。圖1 :并行獨(dú)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(xiàng)包括串行外設(shè)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(xiàng)是控制器局域網(wǎng)（CAN）總線，這種總線在汽車應(yīng)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 S

5、PI或I2C通信是有優(yōu)勢的。IlWHOJ zfemBaflnpiParallel modules with CAN 滬吸即圖2 :具CAN網(wǎng)關(guān)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(shè)計(jì)工程師能夠滿足這些苛刻要求的器件。TC6802是一個電池組監(jiān)視器IC,能測量多達(dá)12個疊置電池的電壓。LTC6802還有內(nèi)部開 關(guān)，使電池可以單獨(dú)放電，以便它們能與電池組中的其它電池進(jìn)入平衡狀態(tài)。為說明電池組架構(gòu)，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(dāng)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)

6、節(jié)范圍為 050.4V，下一組電池的電壓范圍為50.4V到10 0.8V，順著電池組依此類推。這些器件之間在不同的電壓上進(jìn)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(diǎn)不同，每種方法都有優(yōu)點(diǎn) 和缺點(diǎn)。帚葉獨(dú)和CA卿按hcah帕M CANHX®Wi« tt-*-LTpBsaa*tTceaoiFW-i Ft*.*F'ftiiilir*+.苗芒甲忖陽堪£匕a '用慣岬硯* 丁申坯*9商篇匸3的.曲尊和 豈黑電哥的CA? iWKrawFFaniWit-»v>hfSWM a*«E-拿MU苗一也壬石

7、爭審弧費(fèi)Oi牧*a.rn z畑-*+創(chuàng)比鼻五憾飪一氏?T24串R MrsnMB. CAM霽卞欝臥JIM 3N整口*+：痢據(jù)壬苗"桂曲 坪口審,Ml電子L* d也電£卷二衽豈信表：電池監(jiān)視架構(gòu)比較。電池監(jiān)視要求在電池監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)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(zhǔn)確性。為了利用可能的最大電池容量，電池監(jiān)視器需要準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。此外，高能量容 量以及有

8、些電池技術(shù)潛在的不穩(wěn)定本性是人們擔(dān)心的主要安全問題。相對于嚴(yán)重的電池故 障，在保守性條件下執(zhí)行關(guān)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(xì)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(shè)計(jì)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?，F(xiàn)代的汽車已包含大量采用復(fù)雜布線線束的電子產(chǎn)品。就汽車制造而言，增 加復(fù)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(fù)雜性更高。總的組件和連接數(shù)量必須盡量地少以滿足嚴(yán)格的尺寸和重量限制， 并確保大批量生產(chǎn)是切實(shí)可

9、 行的。4. 成本。復(fù)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(fù)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(gòu)圖 1 至圖 4 給出了 4 種電池監(jiān)視系統(tǒng)架構(gòu)。假設(shè)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(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。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(gòu)都設(shè)計(jì)為一個自主的電池監(jiān) 視系統(tǒng)，都提供到汽車主 CAN

10、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(dú)立 CAN 模塊 （如圖 1）LTC6802 、微控制器、 CAN 接口每個由 12 個電池組成的模塊都含有一個電路板，板上有 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(guān)。2具 CAN 網(wǎng)關(guān)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(dú)立的接口連接，控制器電路板上含有微控制器、 CAN

11、 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(guān)。3具 CAN 網(wǎng)關(guān)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(dāng)?shù)?汽車主 CAN 總線的網(wǎng)關(guān)。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)。Monitoring ModuleCANSW CANPS山*3Single momtoriog modu

12、le with CAN gateway圖3 :具CAN網(wǎng)關(guān)的單個監(jiān)視模塊。4 .具CAN網(wǎng)關(guān)的串行模塊（圖4）這種架構(gòu)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(dǎo)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(guān)。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(guān)的串行模塊。電池監(jiān)視架構(gòu)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(gòu)一般易產(chǎn)生問題。為應(yīng)對復(fù)雜性提高的問題，設(shè)計(jì)工程師需要實(shí)現(xiàn)到每個監(jiān)視器器件的獨(dú)立通信。第3種和第4種架構(gòu)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(shè)計(jì)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 LTC