鋰離子電池管理確保電動汽車的安全性和續(xù)航里程得到優(yōu)化

電池組是電動工具、踏板車和電動汽車 (EV) 等電池供電產(chǎn)品中最昂貴的組件之一。電池組性能極大地影響電動汽車的整車級關(guān)注點，包括車輛續(xù)航里程、電池組使用壽命和充電時間，更不用說車輛安全性和可靠性了。因此，電池管理成為深入研究和持續(xù)開發(fā)工作的主題也就不足為奇了。

從車輛系統(tǒng)的角度來看，電池組的關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI)包括直流母線電壓、能量密度、比功率和電池預(yù)期壽命等參數(shù)。到目前為止，鋰離子(Li-ion)電池提供了良好的效果;然而，鋰離子化學(xué)給車輛電子設(shè)備帶來了相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)，用于電池組的“維護和供電”。

鋰離子電池的使用要求電池管理單元 (BMU) 在共模電壓超過數(shù)百伏的嘈雜電氣環(huán)境中“突破測量精度的極限”。除了監(jiān)控電池電壓和溫度之外，BMU 還必須執(zhí)行電池平衡和庫侖計數(shù)等關(guān)鍵功能，同時確保整個電池組在符合嚴(yán)格 ISO 26262 功能安全要求的安全操作范圍內(nèi)工作。

能量密度(Wh/l)和比功率(能量/kg)是電動汽車電池設(shè)計的兩個主要品質(zhì)因數(shù)。這些品質(zhì)因數(shù)由多個車輛級性能參數(shù)驅(qū)動;也許最重要的是每次充電的續(xù)航里程。為了優(yōu)化每次充電的續(xù)航里程，儲能裝置必須緊湊且輕便。

能量密度越高，車輛可輸送的能量容量就越大;再加上由于更高的比功率而導(dǎo)致的更輕的有效載荷，可以導(dǎo)致更大的車輛行駛里程。除了影響車輛續(xù)航里程外，電池組的緊湊性還為其他關(guān)鍵電動汽車系統(tǒng)留出了空間，例如車載充電器和將電能轉(zhuǎn)化為運動的牽引驅(qū)動器。這使得所謂的“滑板”配置在多個電動汽車平臺上流行。

目前，鋰離子電池是明智的選擇，其應(yīng)用在當(dāng)今的車輛電氣化領(lǐng)域非常普遍。盡管如此，鋰離子電池也有缺點。充電非常挑剔，而且很難測量鋰離子電池組的充電狀態(tài)。

鋰離子電池可能很棘手，懸浮滑板等消費產(chǎn)品的熱失控問題已經(jīng)證明了這一點。最后，鋰離子電池是一項昂貴的技術(shù)，不僅因為構(gòu)成電池的特殊材料，還因為為了優(yōu)化性能和安全性而必須存在的電池和熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性。

鋰離子電池特性

典型鋰離子電池的充電和放電特性，一旦電池在充電過程中達到飽和，甚至在放電時，電池電壓在大部分工作范圍內(nèi)幾乎保持恒定。平坦的放電曲線使其成為電動汽車有吸引力的能源，因為電池在較寬的運行范圍內(nèi)提供近乎恒定的能量。

然而，這一特性以及其他內(nèi)在品質(zhì)給電池管理帶來了挑戰(zhàn)。更重要的是，電池特性在很大程度上決定了車輛的行駛里程、電池使用壽命、安全性以及車輛的可用性。例如，需要知道用戶在充電之前可以行駛多遠(yuǎn)。

不同的材料構(gòu)成陽極/陰極，這會影響電池特性。例如，鋰離子電池充電至 3.8 V 至 4.2 V，容差約為 ±50 mV，具體取決于所采用的陽極/陰極材料。當(dāng)充電電流低于電池 Ah 額定值的 3% 時，電池被視為已充滿。雖然提高充電電流不會影響總充電時間，但它可以加快達到 70% 左右容量穩(wěn)定狀態(tài)的時間。

事實上，將電池充電至低于 100% 的電量對于延長使用壽命是可取的，因為鋰離子電池不能接受過度充電而不造成電池?fù)p壞和/或損害安全性。因此，系統(tǒng)設(shè)計人員必須權(quán)衡續(xù)航里程/充電、電池使用壽命、安全性和充電時間等參數(shù)。

還有其他挑戰(zhàn)和細(xì)微差別需要考慮。電池以串聯(lián)和并聯(lián)組合的形式連接，以增加電壓和容量，這使管理過度充電或充電不足的問題變得復(fù)雜。 BMU 實現(xiàn)“電池平衡”，以確保電池組中的所有電池(串聯(lián)的多個電池)實際上處于相同的充電水平。

由于多種原因，監(jiān)測電池溫度也很重要。充電期間溫度顯著升高表明存在故障。此外，鋰離子電池在低溫(例如冰凍)下充電效果不佳。在這種情況下，BMU可以加熱電池來補償。

最后，即使嚴(yán)格控制充電和放電，電池的容量也會隨著時間的推移而降低，因為它經(jīng)歷了多次充電和放電循環(huán)。電動汽車可以通過傳達車輛剩余的行駛里程而不是電池容量或充電狀態(tài)來彌補這一點。全新車輛可能充電至 70%，放電至 30%。隨著電池組老化和容量減少，BMU 可以擴大充電和放電窗口，使車輛能夠在車輛的使用壽命內(nèi)保持其“充滿電”的行駛里程。

電池管理

汽車 EV/混合動力電動汽車 (HEV) 電池包含數(shù)百個串聯(lián)和并聯(lián)的鋰離子電池，從已經(jīng)討論的挑戰(zhàn)可以清楚地看出，只有通過適當(dāng)?shù)碾姵毓芾聿拍芫S持安全和壽命優(yōu)化的運行。串聯(lián)中的每個電池都必須單獨進行診斷和平衡。

如果目標(biāo)是優(yōu)化車輛級 KPI，信號路徑必須提供必要的精度來估計充電狀態(tài)。具體來說，充電/放電曲線的平坦度，電池電壓和電池組電流測量精度至關(guān)重要。此外，電池管理解決方案有時會結(jié)合庫侖計數(shù)(測量進出電池組的安培秒流量)作為交叉檢查來估計整個電池組的充電狀態(tài)。

由于測量和控制如此復(fù)雜，包含電池平衡以及電壓和溫度測量功能的集成多通道 IC 代表了一種經(jīng)濟高效且優(yōu)化的解決方案。此類監(jiān)控和平衡器件的一個示例是STMicroElectronics 的L9963芯片，該芯片每個芯片最多支持 14 個電池，并具有最多 7 個 NTC 溫度傳感器輸入。

一顆L9963芯片提供了實現(xiàn)14個單元管理單元(CMU)所需的功能以及模塊管理單元(MMU)功能。電池監(jiān)控和保護芯片提供高精度的電池電壓測量路徑，并同步電池電壓和電池組電流讀數(shù)，從而提供整個電池組逐個電池的充電狀態(tài)指示。

將一個或多個此類設(shè)備與合適的微控制器相結(jié)合(以實現(xiàn)電池組管理單元 (PMU))可提供完整的電池組解決方案。

對于每個連接的電池，CMU 都會獲取電池電壓和溫度，并通過電流隔離接口將這些數(shù)據(jù)傳送到主處理單元。 CMU直接影響整個電池的KPI參數(shù)。它越準(zhǔn)確地確定電池電壓，就越能更好地利用可用電池容量，并且能更精確地得出其他更高級別的應(yīng)用參數(shù)，例如充電狀態(tài)。

為了實現(xiàn)電池之間的有效電荷平衡，可以應(yīng)用被動平衡方法?？汕袚Q負(fù)載與每個電池并聯(lián)放置，以便在充電階段，各個電池的充電水平可以保持恒定或在開關(guān)導(dǎo)通時略微降低。當(dāng)具有不導(dǎo)電“平衡旁路”的電池繼續(xù)提高其充電水平時，這可以平衡整個電池組的充電水平。

這里，L9963 電池保護芯片簡化了這種無源平衡，因為它提供集成平衡 MOSFET，只需外部平衡負(fù)載即可。此外，該設(shè)備還提供多種配置選項，有助于對平衡過程進行自主且簡化的控制。

然后，必須使用電流隔離接口將獲取的傳感器數(shù)據(jù)和診斷信息傳輸?shù)教幚韱卧?，以將高壓電池域與傳統(tǒng)車輛總線系統(tǒng)和電源正確分離。 L9963 芯片支持基于變壓器和電容器的耦合，以創(chuàng)建電流隔離接口。

快速通信是關(guān)鍵，L9963 允許高達 2.66 Mbps 的數(shù)據(jù)速率，這意味著完整的 400 V 電池的更新間隔小于 4 毫秒。在此示例中，電池由與七個 L9963 設(shè)備串聯(lián)的 96 個電池組成，每個電池管理 14 個電池組，并且所有 L9963 設(shè)備通過單個菊花鏈通信接口進行通信。

所有這些方面——傳感器數(shù)據(jù)的采集、測量的完整性測試、采樣數(shù)據(jù)的傳輸以及電池的永久監(jiān)控——對于車輛的操作和車輛乘員來說都是安全至關(guān)重要的。借助 L9963 等適當(dāng)?shù)碾姵毓芾碓O(shè)備(根據(jù) ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，滿足高達 ASIL D 的安全要求)，設(shè)計了安全功能。

鋰離子電池化學(xué)成分可提供卓越的功率密度和比功率，這些特性是最大化車輛每次充電行駛里程的關(guān)鍵。本文強調(diào) BMU 對于確保電池提供預(yù)期性能并最大限度地延長電池使用壽命，同時滿足安全要求的重要性。在組件級別，這意味著信號路徑必須在較寬的溫度范圍內(nèi)提供高精度，并且還需要適當(dāng)?shù)目刂苼砉芾黼姵亍?

盡管如此，電池組和 BMU 只是與 EV 相關(guān)的整個能量傳輸和存儲系統(tǒng)的一部分。除了安裝在車主車庫中的充電設(shè)備外，隨著電動汽車銷量的持續(xù)增長，電動汽車服務(wù)設(shè)備(EVSE)也變得越來越多。 EVSE 連接到車載充電器，將來自電網(wǎng)的輸入電力轉(zhuǎn)換為高壓直流 (HVDC)。一些充電器直接提供非常高電流的 HVDC，可以在 20 至 30 分鐘內(nèi)將車輛充電至 70% 以上。

純電動汽車 (BEV) 以及混合動力汽車有潛力兌現(xiàn)減少交通碳足跡的承諾。通過采用適當(dāng)?shù)碾姵爻潆娂夹g(shù)，消費者發(fā)現(xiàn)他們可以在不影響車輛性能和便利性的情況下實現(xiàn)這一點。