圖1比較了幾種常見的電池技術(shù)。目前，鋰離子是一個(gè)明確的選擇，它在當(dāng)今汽車電氣化中的應(yīng)用非常普遍。盡管如此，鋰離子也有缺點(diǎn)。充電很麻煩，而且很難測(cè)量鋰離子電池的充電狀態(tài)。此外，包括復(fù)雜的熱管理系統(tǒng)，高昂的價(jià)格等都是鋰離子電池的缺陷。

 

鋰離子特性

 

圖2描述了典型鋰離子電池的充放電特性。一旦電池在充電或放電過(guò)程中達(dá)到飽和，電池電壓在大多數(shù)工作包絡(luò)電池內(nèi)幾乎保持恒定。平坦的放電曲線使其成為電動(dòng)汽車最愛，因?yàn)殡姵卦趯挼墓ぷ鞣秶鷥?nèi)提供幾乎恒定的能量。

 

圖2典型鋰離子電池的充放電曲線。來(lái)源：STMicroelectronics

 

然而，這一特性和其他固有特性一起，給電池管理帶來(lái)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范圍、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(yuǎn)。

 

陽(yáng)極/陰極由不同的材料組成，這會(huì)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，這取決于所用的陽(yáng)極/陰極材料。當(dāng)充電電流低于電池額定值的3%時(shí)，電池被視為完全充電。雖然提高充電電流不影響總充電時(shí)間，但它可以加快時(shí)間，達(dá)到約70%的容量。

 

事實(shí)上，為了延長(zhǎng)使用壽命，鋰離子電池充電至低于100%的電量是可取的，因?yàn)殇囯x子電池不能接受過(guò)度充電而不造成電池?fù)p壞和安全危險(xiǎn)。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須權(quán)衡充電、電池使用壽命、安全性和充電時(shí)間等種種參數(shù)。

 

還有其他的挑戰(zhàn)和細(xì)微之處需要考慮。電池以陣列串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接，以增加電壓和容量，這使得管理過(guò)充電或欠充電的問題變得復(fù)雜。BMU實(shí)現(xiàn)“單元平衡”以確保堆棧中的所有單元處于相同的充電水平。

 

出于幾個(gè)原因，監(jiān)測(cè)電池溫度也很重要。充電過(guò)程中明顯的溫升表明存在故障。此外，鋰離子電池在寒冷的溫度下，例如在冰凍環(huán)境下充電不好。在這種情況下，BMU可以通過(guò)加熱給電池進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

 

最后，即使嚴(yán)格控制充電和放電，電池的容量也會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，因?yàn)樗?jīng)歷了多次充放電循環(huán)，需要進(jìn)行補(bǔ)償。隨著電池組的老化和容量的減少，BMU可以擴(kuò)大充放電窗口，使車輛在整個(gè)壽命期內(nèi)確保其有更好的行駛體驗(yàn)。

 

電池單元管理

 

汽車電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）蓄電池包含數(shù)百個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)的鋰離子電池，從已經(jīng)討論過(guò)的挑戰(zhàn)中可以清楚地看出，只有正確地管理電池，才能保持安全和壽命優(yōu)化的運(yùn)行，串聯(lián)中的每個(gè)電池單元都必須單獨(dú)診斷和平衡。

 

圖3該圖顯示了電池組監(jiān)控和電池平衡的信號(hào)路徑。來(lái)源：STMicroelectronics

 

如果目標(biāo)是優(yōu)化車輛，則信號(hào)路徑必須提供估計(jì)充電狀態(tài)所需的精度（圖3）。具體來(lái)說(shuō)，由于圖2所示的充電/放電曲線平坦，電池電壓和堆棧電流測(cè)量精度至關(guān)重要。此外，電池管理解決方案有時(shí)包括庫(kù)侖計(jì)數(shù)測(cè)量電流安培秒進(jìn)出堆棧作為交叉檢查估計(jì)整個(gè)電池組的充電狀態(tài)。

 

由于測(cè)量和控制的復(fù)雜性，集成的多通道集成電路包括單元平衡以及電壓和溫度測(cè)量，是一種成本效益高且優(yōu)化的解決方案。這種監(jiān)控和平衡裝置的一個(gè)例子是來(lái)自ST的L9963芯片，它支持每個(gè)芯片多達(dá)14個(gè)單元，最多7個(gè)NTC溫度傳感器輸入。

 

圖4這些圖顯示了三種BMU架構(gòu)方法。來(lái)源：STMicroelectronics

 

如圖4所示，一個(gè)L9963芯片提供了14個(gè)單元管理單元（CMU）和模塊管理單元（MMU）功能所需的功能。電池監(jiān)測(cè)和保護(hù)芯片提供了一個(gè)高精度的電池電壓測(cè)量路徑，它同步電池電壓和電池組電流讀數(shù)，提供整個(gè)電池組充電狀態(tài)的指示。

 

一個(gè)或多個(gè)這樣的設(shè)備與一個(gè)合適的微控制器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組管理單元（PMU）——提供了一個(gè)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(lái)源：STMicroelectronics

 

對(duì)于每個(gè)連接的電池，CMU獲取電池電壓和溫度，并通過(guò)電流隔離接口將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街魈幚韱卧?。CMU直接影響整個(gè)電池的參數(shù)，它能夠更精確地確定電池電壓，從而可以更好地利用電池的可用容量，并且可以更精確地給出其他更高級(jí)別的應(yīng)用參數(shù)，例如電荷狀態(tài)。

 

為了實(shí)現(xiàn)電池之間的有效電荷平衡，可以采用被動(dòng)平衡方法。切換負(fù)載與每個(gè)電池并聯(lián)放置，以便在充電階段，單個(gè)電池的充電水平可以保持恒定，或者在開關(guān)導(dǎo)通的情況下電流稍微降低。當(dāng)帶有非導(dǎo)電“平衡旁路”的電池繼續(xù)提高其充電水平時(shí)，這將平衡整個(gè)電池組的電荷水平。

 

在這里，L9963電池保護(hù)芯片簡(jiǎn)化了這種被動(dòng)平衡，因?yàn)樗峁┝思傻钠胶釳OSFET的方式，只需要外部平衡負(fù)載。此外，該裝置提供了多種配置選項(xiàng)，以促進(jìn)對(duì)平衡過(guò)程的自主和簡(jiǎn)化控制。

 

然后，必須用電流將采集到的信息從車輛的高電壓總線傳輸?shù)皆\斷單元，并將其與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x。L9963芯片支持基于變壓器和電容器的耦合，以創(chuàng)建電隔離接口。

 

快速通信是關(guān)鍵，L9963允許高達(dá)2.66 Mbps的數(shù)據(jù)速率，這意味著對(duì)于一個(gè)完整的400V電池，更新間隔不到4毫秒。比如，電池組由96個(gè)電池單元和7個(gè)L9963設(shè)備串聯(lián)組成，每個(gè)單元管理14個(gè)單元的堆棧，所有L9963設(shè)備通過(guò)一個(gè)菊花鏈通信接口進(jìn)行通信。

 

傳感器數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量的完整性測(cè)試、采樣數(shù)據(jù)的傳輸以及對(duì)電池的永久監(jiān)控，對(duì)于車輛的運(yùn)行和車輛的乘員來(lái)說(shuō)都是安全關(guān)鍵。根據(jù)ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的符合ASIL D安全要求的適當(dāng)電池管理裝置，L9963也設(shè)計(jì)了安全功能。

 

鋰離子電池的化學(xué)特性提供了卓越的功率密度和質(zhì)量功率比，這些特性是最大限度地?cái)U(kuò)大車輛每次充電里程的關(guān)鍵。本文強(qiáng)調(diào)了BMU的重要性，以確保電池達(dá)到預(yù)期的性能，并最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命，同時(shí)滿足安全要求。在組件級(jí)別，這意味著信號(hào)路徑必須在較寬的溫度范圍內(nèi)提供高精度，并且有適當(dāng)?shù)目刂苼?lái)管理電池。

 

圖6該框圖顯示了電動(dòng)汽車能量傳輸和儲(chǔ)存系統(tǒng)的布局。來(lái)源：STMicroelectronics

 

不過(guò)，電池組和BMU只是與電動(dòng)汽車相關(guān)的整體能量傳輸和存儲(chǔ)系統(tǒng)的一部分（圖6）。除了安裝在車主車庫(kù)的充電設(shè)備外，隨著電動(dòng)汽車銷量的不斷增長(zhǎng)，充電樁也變得越來(lái)越多。充電樁與車載充電器相連，該充電器將來(lái)自電網(wǎng)的輸入功率轉(zhuǎn)換為高壓直流電（HVDC）。有些充電器直接提供高壓直流電，可以在20到30分鐘內(nèi)將車輛充電到70%以上。

 

電動(dòng)汽車（BEV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）如今已被市場(chǎng)所接受，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)碾姵爻潆娂夹g(shù)，消費(fèi)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(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能的生活。

 

本文作者：

JohnJohnson是ST美洲地區(qū)的汽車系統(tǒng)營(yíng)銷經(jīng)理。

Markus Ekler是ST ASSP/ASIC部門高級(jí)技術(shù)營(yíng)銷工程師。