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鋰離子電池管理係統如何保障電動汽車電池組

發布時間：2020-09-04 責任編輯：lina

【導讀】電容器的一個關鍵參數是其介電吸收（DA）。如果想估算電容器的質量或識別其電介質類型，則隻要測量出其 DA 即可。在選擇具有適當 DA 的電容器時，這種簡單的電路可以幫助避免耗時的標準過程。

電池組是包括電動車以及電動工具中最昂貴的部件，電池組的性能對電動汽車的整車使用壽命、使用壽命、充電時間等都有很大的影響，更不用說汽車的安全性和可靠性了。因此，電池管理需要持續研究和發展。

從車輛係統的角度來看，電池組的關鍵性能指標（KPI）包括直流連接電壓、能量密度、比功率和電池預期壽命等參數。到目前為止，鋰離子電池提供了良好的效果；然而，鋰離子化學給汽車電子設備的電池組“維護和供給”帶來了相當大的負擔。

鋰離子的使用要求電池管理單元（BMU）在共模電壓超過幾百伏的噪聲環境中精準測量。除了監測電池的電壓和溫度外，BMU還必須執行電池平衡和庫侖計數等關鍵功能，同時確保整個電池組在符合嚴格的ISO 26262功能安全要求的範圍內工作。

為什麼選擇鋰離子？

能量密度（W-h/l）和質量功率比（Energy/kg）是電動汽車電池設計的兩個重要指標。這些性能指標由多個車輛級別的性能參數決定；最重要的是每次充電的續航裏程。為了優化每次充電的範圍，儲能必須緊湊輕便。

能量密度越高，車內傳輸的能量就越多；再(zai)加(jia)上(shang)質(zhi)量(liang)功(gong)率(lv)比(bi)越(yue)大(da)，有(you)效(xiao)載(zai)荷(he)越(yue)輕(qing)，車(che)輛(liang)續(xu)航(hang)裏(li)程(cheng)就(jiu)越(yue)大(da)。除(chu)了(le)影(ying)響(xiang)車(che)輛(liang)行(xing)駛(shi)裏(li)程(cheng)外(wai)，電(dian)池(chi)組(zu)的(de)緊(jin)湊(cou)性(xing)為(wei)其(qi)他(ta)關(guan)鍵(jian)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)係(xi)統(tong)留(liu)下(xia)了(le)空(kong)間(jian)，如(ru)車(che)載(zai)充(chong)電(dian)器(qi)和(he)將(jiang)電(dian)能(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)運(yun)動(dong)的(de)牽(qian)引(yin)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)。

圖1這些圖表顯示了電池的不同化學特性。來源：STMicroelectronics

圖1比bi較jiao了le幾ji種zhong常chang見jian的de電dian池chi技ji術shu。目mu前qian，鋰li離li子zi是shi一yi個ge明ming確que的de選xuan擇ze，它ta在zai當dang今jin汽qi車che電dian氣qi化hua中zhong的de應ying用yong非fei常chang普pu遍bian。盡jin管guan如ru此ci，鋰li離li子zi也ye有you缺que點dian。充chong電dian很hen麻ma煩fan，而er且qie很hen難nan測ce量liang鋰li離li子zi電dian池chi的de充chong電dian狀zhuang態tai。此ci外wai，包bao括kuo複fu雜za的de熱re管guan理li係xi統tong，高gao昂ang的de價jia格ge等deng都dou是shi鋰li離li子zi電dian池chi的de缺que陷xian。

鋰離子特性

圖2描miao述shu了le典dian型xing鋰li離li子zi電dian池chi的de充chong放fang電dian特te性xing。一yi旦dan電dian池chi在zai充chong電dian或huo放fang電dian過guo程cheng中zhong達da到dao飽bao和he，電dian池chi電dian壓ya在zai大da多duo數shu工gong作zuo包bao絡luo電dian池chi內nei幾ji乎hu保bao持chi恒heng定ding。平ping坦tan的de放fang電dian曲qu線xian使shi其qi成cheng為wei電dian動dong汽qi車che最zui愛ai，因yin為wei電dian池chi在zai寬kuan的de工gong作zuo範fan圍wei內nei提ti供gong幾ji乎hu恒heng定ding的de能neng量liang。

圖2典型鋰離子電池的充放電曲線。來源：STMicroelectronics

然而，這一特性和其他固有特性一起，給電池管理帶來了挑戰。更重要的是，電池特性在很大程度上決定了車輛的行駛範圍、電池的使用壽命、安全性以及車輛的可用性。例如，需要知道用戶在充電前可以走多遠。

陽極/陰極由不同的材料組成，這會影響電池的特性。例如，鋰離子電池的充電電壓為3.8伏至4.2伏，其容差約為±50毫伏，這取決於所用的陽極/陰極材料。當充電電流低於電池額定值的3%時，電池被視為完全充電。雖然提高充電電流不影響總充電時間，但它可以加快時間，達到約70%的容量。

事實上，為了延長使用壽命，鋰離子電池充電至低於100%的電量是可取的，因為鋰離子電池不能接受過度充電而不造成電池損壞和安全危險。因此，係統設計者必須權衡充電、電池使用壽命、安全性和充電時間等種種參數。

還(hai)有(you)其(qi)他(ta)的(de)挑(tiao)戰(zhan)和(he)細(xi)微(wei)之(zhi)處(chu)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)。電(dian)池(chi)以(yi)陣(zhen)列(lie)串(chuan)聯(lian)和(he)並(bing)聯(lian)的(de)方(fang)式(shi)連(lian)接(jie)，以(yi)增(zeng)加(jia)電(dian)壓(ya)和(he)容(rong)量(liang)，這(zhe)使(shi)得(de)管(guan)理(li)過(guo)充(chong)電(dian)或(huo)欠(qian)充(chong)電(dian)的(de)問(wen)題(ti)變(bian)得(de)複(fu)雜(za)。BMU實現“單元平衡”以確保堆棧中的所有單元處於相同的充電水平。

出chu於yu幾ji個ge原yuan因yin，監jian測ce電dian池chi溫wen度du也ye很hen重zhong要yao。充chong電dian過guo程cheng中zhong明ming顯xian的de溫wen升sheng表biao明ming存cun在zai故gu障zhang。此ci外wai，鋰li離li子zi電dian池chi在zai寒han冷leng的de溫wen度du下xia，例li如ru在zai冰bing凍dong環huan境jing下xia充chong電dian不bu好hao。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，BMU可以通過加熱給電池進行溫度補償。

最zui後hou，即ji使shi嚴yan格ge控kong製zhi充chong電dian和he放fang電dian，電dian池chi的de容rong量liang也ye會hui隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi而er降jiang低di，因yin為wei它ta經jing曆li了le多duo次ci充chong放fang電dian循xun環huan，需xu要yao進jin行xing補bu償chang。隨sui著zhe電dian池chi組zu的de老lao化hua和he容rong量liang的de減jian少shao，BMU可以擴大充放電窗口，使車輛在整個壽命期內確保其有更好的行駛體驗。

電池單元管理

汽車電動汽車/混合動力電動汽車（HEV）蓄xu電dian池chi包bao含han數shu百bai個ge串chuan聯lian和he並bing聯lian的de鋰li離li子zi電dian池chi，從cong已yi經jing討tao論lun過guo的de挑tiao戰zhan中zhong可ke以yi清qing楚chu地di看kan出chu，隻zhi有you正zheng確que地di管guan理li電dian池chi，才cai能neng保bao持chi安an全quan和he壽shou命ming優you化hua的de運yun行xing，串chuan聯lian中zhong的de每mei個ge電dian池chi單dan元yuan都dou必bi須xu單dan獨du診zhen斷duan和he平ping衡heng。

圖3該圖顯示了電池組監控和電池平衡的信號路徑。來源：STMicroelectronics

如果目標是優化車輛，則信號路徑必須提供估計充電狀態所需的精度（圖3）。具體來說，由於圖2所示的充電/fangdianquxianpingtan，dianchidianyaheduizhandianliuceliangjingduzhiguanzhongyao。ciwai，dianchiguanlijiejuefanganyoushibaokuokulunjishuceliangdianliuanpeimiaojinchuduizhanzuoweijiaochajianzhagujizhenggedianchizudechongdianzhuangtai。

youyucelianghekongzhidefuzaxing，jichengdeduotongdaojichengdianlubaokuodanyuanpinghengyijidianyahewenduceliang，shiyizhongchengbenxiaoyigaoqieyouhuadejiejuefangan。zhezhongjiankonghepinghengzhuangzhideyigelizishilaiziST的L9963芯片，它支持每個芯片多達14個單元，最多7個NTC溫度傳感器輸入。

圖4這些圖顯示了三種BMU架構方法。來源：STMicroelectronics

如圖4所示，一個L9963芯片提供了14個單元管理單元（CMU）和模塊管理單元（MMU）gongnengsuoxudegongneng。dianchijiancehebaohuxinpiantigongleyigegaojingdudedianchidianyacelianglujing，tatongbudianchidianyahedianchizudianliudushu，tigongzhenggedianchizuchongdianzhuangtaidezhishi。

一個或多個這樣的設備與一個合適的微控製器的組合來實現電池組管理單元（PMU）——提供了一個完整的電池組解決方案（圖5）。

圖5該框圖顯示了組成BMU解決方案的器件組合。來源：STMicroelectronics

對於每個連接的電池，CMU獲取電池電壓和溫度，並通過電流隔離接口將這些數據傳輸到主處理單元。CMU直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)的(de)參(can)數(shu)，它(ta)能(neng)夠(gou)更(geng)精(jing)確(que)地(di)確(que)定(ding)電(dian)池(chi)電(dian)壓(ya)，從(cong)而(er)可(ke)以(yi)更(geng)好(hao)地(di)利(li)用(yong)電(dian)池(chi)的(de)可(ke)用(yong)容(rong)量(liang)，並(bing)且(qie)可(ke)以(yi)更(geng)精(jing)確(que)地(di)給(gei)出(chu)其(qi)他(ta)更(geng)高(gao)級(ji)別(bie)的(de)應(ying)用(yong)參(can)數(shu)，例(li)如(ru)電(dian)荷(he)狀(zhuang)態(tai)。

weileshixiandianchizhijiandeyouxiaodianhepingheng，keyicaiyongbeidongpinghengfangfa。qiehuanfuzaiyumeigedianchibinglianfangzhi，yibianzaichongdianjieduan，dangedianchidechongdianshuipingkeyibaochihengding，huozhezaikaiguandaotongdeqingkuangxiadianliushaoweijiangdi。dangdaiyoufeidaodian“平衡旁路”的電池繼續提高其充電水平時，這將平衡整個電池組的電荷水平。

在這裏，L9963電池保護芯片簡化了這種被動平衡，因為它提供了集成的平衡MOSFET的方式，隻需要外部平衡負載。此外，該裝置提供了多種配置選項，以促進對平衡過程的自主和簡化控製。

然後，必須用電流將采集到的信息從車輛的高電壓總線傳輸到診斷單元，並將其與傳統的數據處理單元進行適當的隔離。L9963芯片支持基於變壓器和電容器的耦合，以創建電隔離接口。

快速通信是關鍵，L9963允許高達2.66 Mbps的數據速率，這意味著對於一個完整的400V電池，更新間隔不到4毫秒。比如，電池組由96個電池單元和7個L9963設備串聯組成，每個單元管理14個單元的堆棧，所有L9963設備通過一個菊花鏈通信接口進行通信。

傳感器數據的采集、測量的完整性測試、采樣數據的傳輸以及對電池的永久監控，對於車輛的運行和車輛的乘員來說都是安全關鍵。根據ISO 26262標準開發的符合ASIL D安全要求的適當電池管理裝置，L9963也設計了安全功能。

鋰離子電池的化學特性提供了卓越的功率密度和質量功率比，這些特性是最大限度地擴大車輛每次充電裏程的關鍵。本文強調了BMUdezhongyaoxing，yiquebaodianchidadaoyuqidexingneng，bingzuidaxiandudiyanchangdianchideshiyongshouming，tongshimanzuanquanyaoqiu。zaizujianjibie，zheyiweizhexinhaolujingbixuzaijiaokuandewendufanweineitigonggaojingdu，bingqieyoushidangdekongzhilaiguanlidianchi。

圖6該框圖顯示了電動汽車能量傳輸和儲存係統的布局。來源：STMicroelectronics

不過，電池組和BMU隻是與電動汽車相關的整體能量傳輸和存儲係統的一部分（圖6）。除chu了le安an裝zhuang在zai車che主zhu車che庫ku的de充chong電dian設she備bei外wai，隨sui著zhe電dian動dong汽qi車che銷xiao量liang的de不bu斷duan增zeng長chang，充chong電dian樁zhuang也ye變bian得de越yue來lai越yue多duo。充chong電dian樁zhuang與yu車che載zai充chong電dian器qi相xiang連lian，該gai充chong電dian器qi將jiang來lai自zi電dian網wang的de輸shu入ru功gong率lv轉zhuan換huan為wei高gao壓ya直zhi流liu電dian（HVDC）。有些充電器直接提供高壓直流電，可以在20到30分鍾內將車輛充電到70%以上。

電動汽車（BEV）和混合動力汽車（HEV）如今已被市場所接受，通過使用適當的電池充電技術，消費者發現他們可以在不影響車輛性能和便利性的情況下實現綠色節能的生活。

本文作者：

JohnJohnson是ST美洲地區的汽車係統營銷經理。

Markus Ekler是ST ASSP/ASIC部門高級技術營銷工程師。

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