電動汽車設(shè)計環(huán)境與電源管理電路分析

正如亨利福特于1923年所說：“即使僅節(jié)省幾磅的汽車重量……也意味著它們能開得更快，并且消耗更少的燃料。”這個永恒真理正是鋰電池化學(xué)產(chǎn)業(yè)憑借更高比能(焦耳/千克)引領(lǐng)世界向下一代更具重量效益、插電式電動汽車發(fā)展的理由。

但我們對筆記本電腦的鋰離子電池爆炸案記憶猶新，當(dāng)再度考慮到電動汽車電池更大的總能量時，該事件更是被進(jìn)一步放大。這方面的顧慮及其它因素促進(jìn)了高度智能的電池管理系統(tǒng)(BMS)的發(fā)展。這種電池管理系統(tǒng)需要與大功率電池充電系統(tǒng)通訊來滿足諸如安全、成本、電池壽命、汽車行程(又名里程焦慮)和整夜充電等要求——為了達(dá)到更低的碳排放和更高的燃油經(jīng)濟(jì)性需要做出的所有痛苦讓步。

隨著汽車OEM廠商對下一代電池管理和充電系統(tǒng)要求的確定，半導(dǎo)體公司正在推進(jìn)預(yù)期能夠滿足這些要求的產(chǎn)品開發(fā)。本文將要討論與插電式混合動力汽車(PHEV)中的大功率(》3kW)、脫機(jī)式電池充電器的開發(fā)相關(guān)的設(shè)計要求、架構(gòu)和挑戰(zhàn)，并展示為何要為這類應(yīng)用建立數(shù)字電源架構(gòu)。

電動汽車設(shè)計環(huán)境

電動交通工具泛指使用高壓電池和電動馬達(dá)進(jìn)行推進(jìn)的車輛。與僅用內(nèi)燃機(jī)(ICE)提供動力的汽車相比，這種技術(shù)的優(yōu)勢在于電動馬達(dá)在產(chǎn)生扭矩(特別是在加速過程中)時要比ICE高效得多。另外，電動汽車可以在行車時回收動能，而其它汽車只能以熱量的形式損耗掉。

混合動力汽車(HEV)與新興的PHEV汽車不同，它們使用較低容量的電池和電動馬達(dá)輔助主要ICE加速。這種混合扭矩加上再生制動能力可進(jìn)一步改善燃油利用率，并減少碳排放。

然而，減少排放還不能完全滿足針對汽車零排放的最新法律要求。因此，作為新興汽車，PHEV的動力完全來自于潔凈電網(wǎng)能量1。

所謂的串聯(lián)電動汽車與并聯(lián)HEV不同，不從兩種來源混合扭矩。所有推進(jìn)扭矩來自更大的電動馬達(dá)，一般大于80kW。在某些情況下會增加一個性能經(jīng)過優(yōu)化的小型里程延伸ICE，用于解決純電動汽車電池的里程限制問題2。ICE用作發(fā)電機(jī)給電動馬達(dá)供電，并給電池充電。不管是在PHEV還是HEV中，增加高壓電池和電動馬達(dá)從根本上改變了汽車的電氣、機(jī)械和安全系統(tǒng)。因此最終需要復(fù)雜和高度智能的功率電子和電池管理系統(tǒng)。

電池設(shè)計挑戰(zhàn)

過去100年內(nèi)，工程師已經(jīng)將汽油推進(jìn)系統(tǒng)改進(jìn)得十分完善?，F(xiàn)在，OEM及其供貨商一改過去的方式，開始組成聯(lián)盟，突破常規(guī)，集中力量優(yōu)化電動推進(jìn)系統(tǒng)。

但電動推進(jìn)的高成本表現(xiàn)在產(chǎn)品開發(fā)和組件復(fù)雜度方面，需要用復(fù)雜和容錯性的汽車智能和功率電子系統(tǒng)連續(xù)管理數(shù)十千瓦的功率。

考慮在傳統(tǒng)汽油動力汽車中測量油量的簡單任務(wù)。根據(jù)具體的汽車，油量表可能只是由連接到一個發(fā)送部件的加熱線圈驅(qū)動的雙金屬條。而在電動汽車中，‘油箱’是由串聯(lián)/并聯(lián)著的許多電池單元(可能100節(jié)或以上)組成的高壓電池。對電荷狀態(tài)(SOC)的精確判斷要求對每節(jié)電池進(jìn)行精確的電壓測量(在幾毫伏內(nèi))。

這是電池管理系統(tǒng)的工作。BMS是一個高精度的系統(tǒng)，用于向中央處理器報告有關(guān)電池單元的電壓、電流和溫度等詳細(xì)信息，然后由中央處理器負(fù)責(zé)計算電池的SOC(也就是汽車的油量)。不能精確地測量電池不僅會誤報電池SOC，還會縮短電池服務(wù)壽命，或產(chǎn)生不安全和潛在性的災(zāi)情。

為了避免出現(xiàn)這種情況，業(yè)界開發(fā)出了滿足ISO26262之類新興標(biāo)準(zhǔn)的IC，它們通過硬件內(nèi)建測試功能，以及為電池單元的過壓/欠壓監(jiān)視等安全關(guān)鍵功能提供的N+1冗余保護(hù)確保系統(tǒng)可靠地工作。如果電池組中的一節(jié)電池被迫進(jìn)入深度放電狀態(tài)，或被過度充電，這節(jié)電池可能永久性損壞，并可能出現(xiàn)熱失控—— 自我破壞狀態(tài)。因此，除了主要的電池監(jiān)視系統(tǒng)外還需要二級保護(hù)。

更先進(jìn)的BMS將同步電壓和電流測量，并作為連續(xù)測量電池阻抗的一種方式。阻抗是電池健康狀態(tài)(SOH)的一個重要指示。

圖1：針對多單元數(shù)量應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)。

圖1顯示了足以用來測量電池SOC和SOH的典型電池單元配置和BMS。請注意，串聯(lián)電池組中的任何一節(jié)電池單元都會限制整個電池組容量。換句話說，如果某節(jié)電池單元先于其它電池達(dá)到了最大或最小電壓，充電或放電周期必須被中斷。(圖中用綠色標(biāo)示的)單元平衡電路用于確保所有單元被均勻一致地充電和放電。

電池充電器的基本原理

電動汽車充電器是根據(jù)輸出功率/輸入電壓分類的。一類充電器通常整合在電路板上，輸入的是95V至265V的交流電壓，充電能力在1.5kW和3.3kW之間。專用的二類和三類充電器工作于240V/480V配線系統(tǒng)，能夠以快得多的速率完成充電，但限于汽車電池和連接器約束范圍內(nèi)。例如，SAE J1772是目前北美地區(qū)唯一獲得批準(zhǔn)的電動汽車連接器標(biāo)準(zhǔn)，功率限制為16.8kW以下。

與用于可攜式電子設(shè)備的電池不同，汽車級電池可以適應(yīng)大得多的充電電流，不會影響電池壽命或接近熱失控。充電器的C額定值被定義為流入電池的電流，正比于用安培/小時為單位測量的電池容量。例如，1C充電器將以1A的電流為1Ah電池充電。

雖然傳統(tǒng)的鋰離子電池可能限于1C，但一些汽車電池可以用遠(yuǎn)高于這個限值的電流充電，從而縮短再次充電時間。事實上，工作在480V/三相電壓的大功率三類充電器(例如Aker Wade Power Technologies3和其他公司開發(fā)的產(chǎn)品)給電動汽車電池充電的時間與加滿一箱油的時間相近。

請注意，電動汽車的電池容量一般是用千瓦/時表示，通過將千瓦/時額定值除以標(biāo)稱電池平坦電壓可以將它松散地關(guān)聯(lián)到電池的安培/時額定值。作為參考點，Nissan Leaf公司整合的一款3.3kW充電器需要用8個小時時間將一個24kW的電池從10%充電到滿充狀態(tài)。

另外需要注意的是，電動汽車電池的放電深度影響電池單元壽命，因此這種電池在充電周期開始時通常需要保留至少10%的電池容量。

充電器的架構(gòu)設(shè)計

板載充電器必須符合嚴(yán)格的電磁兼容性、功率因子和UL/IEC安全標(biāo)準(zhǔn)方面的工業(yè)和政府法規(guī)要求。與所有其它的鋰化學(xué)工業(yè)一樣，電動汽車推進(jìn)電池充電器采用?寧y、?睎?(CC/CV)充電算法，電池先被可程序設(shè)計的電流源充電，直到它達(dá)到電壓設(shè)置點，然后轉(zhuǎn)入穩(wěn)壓階段，同時監(jiān)視電池電流作為充電周期完成的指示。[!--empirenews.page--]

充電電流(功率)由BMS、混合控制模塊(HCM)和電動汽車服務(wù)設(shè)備協(xié)商確定，具體取決于使用的輸入電壓、溫度和電池SOC/SOH以及受HCM監(jiān)視的其它系統(tǒng)考慮因素。這種控制算法的安全性和容錯性一點也不能打折扣。

合適的電源架構(gòu)涉及交錯式功率因子校正(PFC)和隨后的相移全橋電路，如圖2所示。控制回饋參數(shù)由微控制器數(shù)字化。這個微控制器能夠以數(shù)字方式關(guān)閉多個控制環(huán)路，并精確地調(diào)變高壓MOSFET開關(guān)。

圖2：連接交錯式PFC和相移橋的數(shù)字控制接口。

集中和高度智慧的控制機(jī)制可以滿足模擬技術(shù)不容易解決的許多問題。

更先進(jìn)的微控制器整合有協(xié)處理器(控制律加速器)和多個高分辨率脈寬調(diào)變器(PWM)，前者用于加速控制環(huán)路傳輸函數(shù)的運(yùn)算，后者能夠控制功率開關(guān)在 150ps內(nèi)。這種架構(gòu)能夠動態(tài)適應(yīng)線路和負(fù)載的變化，記錄系統(tǒng)操作參數(shù)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)前瞻性的無差錯算法，同時通過地氣隔離的控制局域網(wǎng)絡(luò)智能地連接所有其它汽車子系統(tǒng)。

最近在數(shù)字電源方面的發(fā)展使得這種方法更加可行，更具成本效益、可擴(kuò)展性，并且更適合電動汽車中的大功率多相位應(yīng)用。

有經(jīng)驗的軟件設(shè)計師可以免費(fèi)使用針對數(shù)字補(bǔ)償和實際上每種電源拓?fù)涞拇笮颓铱蓴U(kuò)展模塊化軟件庫進(jìn)行整合;另外還能獲得與數(shù)字和模擬電源解決方案作對比的測試報告。例如，考慮圖2所示的兩相交錯式PFC功能。PFC升壓開關(guān)受實現(xiàn)多模式PFC的PWM1控制，可以產(chǎn)生電池充電器的兼容電壓。

從圖3可以明顯看出這種拓?fù)涞倪m應(yīng)性，其中的數(shù)字補(bǔ)償和相位管理模塊在軟件控制下是可變的。采用數(shù)字技術(shù)還能使系統(tǒng)不易受噪聲和溫度的影響，同時智能地同步電源級電路，使干擾最小，并優(yōu)化濾波器設(shè)計。

圖3：大功率PFC方法的軟件模塊化程序設(shè)計。

圖3為升壓PFC的完整代碼模塊。相似代碼構(gòu)造可以用零電壓開關(guān)實現(xiàn)相移橋，從而使轉(zhuǎn)換器開關(guān)損耗達(dá)到最小，同時提高效率。