- 討論適用于混能及全電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)
- 研究被動(dòng)平衡解決方案及其相關(guān)問題
- 采用優(yōu)化的隔離式電感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
- 確保各模塊內(nèi)及各模塊之間保持高度平衡
混能及全電動(dòng)汽車廣受市場(chǎng)歡迎，其增長(zhǎng)率更是一直大幅飆升，因此顯示汽車電動(dòng)化的發(fā)展即將進(jìn)入另一個(gè)嶄新的階段。
對(duì)于電動(dòng)汽車來說，電池組是車內(nèi)最昂貴而穩(wěn)定性又最成疑問的組件。高性能的電池管理系統(tǒng)可為混能及全電動(dòng)的汽車提供一個(gè)理想的解決方案，解決電池組電量不足的問題。正如Chevy Volt 的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所言：“我們的工程師在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)采用電池管理系統(tǒng)可大幅延長(zhǎng)電池壽命，確保電池能充分發(fā)揮其性能。換言之，電池管理系統(tǒng)是解決電池問題的關(guān)鍵。”
被動(dòng)平衡解決方案及其相關(guān)問題
電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要面對(duì)許多問題，諸如大量串聯(lián)的小電池的充電問題以及如何確保電池組內(nèi)每一枚小電池都不會(huì)過量充電等。鋰電池對(duì)于過壓情況極為敏感，過壓會(huì)降低電池性能，甚至?xí)铍姵貒?yán)重受損，無法再用。不同的電池各有不同的性能參數(shù)，因此性能也各不相同。此外，每次重新充電前，不同的電池也各有不同的殘余電荷，因此部分電池會(huì)較快充滿電，以致這些電池會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)過壓而嚴(yán)重受損，無法再次使用。
目前有一個(gè)方法可以確保電池組內(nèi)的所有小電池都能充滿電，即將電流分流至旁路電阻，稱為被動(dòng)平衡方法。該方法可將不需要的充電電流分流至電阻，讓電阻耗散這些電流，以免電池過量充電。這個(gè)功率耗散功能可將電池分流出來的電流限定在某一范圍內(nèi)。
被動(dòng)平衡方法無法在電池放電時(shí)發(fā)揮作用，因此必須尋求其他辦法。
即使電池組內(nèi)的不同小電池之間取得高度的平衡，其儲(chǔ)電量也是不盡相同。這個(gè)現(xiàn)象稱為儲(chǔ)電量失衡。即使不同小電池的儲(chǔ)電量在開始時(shí)完全相同，但由于部分小電池的內(nèi)部損耗較大，因此到后來它們的實(shí)際儲(chǔ)電量也會(huì)各不相同。此外，同一廠商生產(chǎn)的小電池都各有不同的性能參數(shù)，因此廠商通常會(huì)嚴(yán)格挑選參數(shù)差距最少的小電池放在同一電池組內(nèi)。但整個(gè)測(cè)試過程需要花費(fèi)較多時(shí)間，而且不合格的小電池會(huì)被篩出，這樣會(huì)增加廠商的成本負(fù)擔(dān)。隨著電池老化，其儲(chǔ)電量也會(huì)相應(yīng)遞減，令各小電池的參數(shù)差距進(jìn)一步擴(kuò)大。加上電池組內(nèi)不同的小電池各有不同的溫度梯度，因此小電池的老化程度也各不相同。熱量管理技術(shù)可以在電池平衡方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，但引進(jìn)這種技術(shù)會(huì)大幅增加成本。
實(shí)際儲(chǔ)電量較低而且呈“弱勢(shì)”的小電池承受最大的放電壓力，因此耗電最快，令其充電量比其他強(qiáng)勢(shì)電池少。經(jīng)過一段時(shí)間的使用之后，這類“弱勢(shì)”的小電池會(huì)較快老化，儲(chǔ)電量的跌幅也較大。換言之，這些小電池的壽命會(huì)更短，整個(gè)電池組的壽命也會(huì)因此而縮短。
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主動(dòng)平衡的解決方案
主動(dòng)平衡方法可以解決鋰電池所面對(duì)的問題。主動(dòng)平衡系統(tǒng)無需先將電池電流分流，然后再將電流耗散，其優(yōu)勝之處是可以通過直流/直流轉(zhuǎn)換器將電荷傳送至電池組內(nèi)的小電池。無論小電池處于充電、放電還是空閑狀態(tài)，都可傳送電荷，而各小電池之間也可經(jīng)常保持平衡。由于主動(dòng)平衡方法的電荷傳送效率極高，因此可以提供較高的平衡電流，令電池組內(nèi)各小電池可以更快地達(dá)到平衡，而且充電速度也更高，這是被動(dòng)平衡方法所無法做到的。
空閑的電池也會(huì)漏電，而且即使不同的小電池之間已達(dá)到完全平衡狀態(tài)，由于溫度梯度不同，令各小電池的內(nèi)部漏電速度各不相同，以致電荷漏失率也各不相同。電池溫度每升高10 ℃，漏電率便上升一倍。主動(dòng)平衡功能可以確保空閑的小電池不斷重新尋求平衡。不同小電池之間必須經(jīng)常保持平衡才可充分利用電池組內(nèi)的所有儲(chǔ)電。
圖1顯示了主動(dòng)平衡方法相比被動(dòng)平衡方法的優(yōu)勢(shì)。由于電池各有不同的儲(chǔ)電量，采用被動(dòng)平衡方法，電池組的總儲(chǔ)電量相等于充電時(shí)的最高和最低儲(chǔ)電量之間的差額。
由于主動(dòng)平衡方法可以在充電時(shí)利用高效率的電源轉(zhuǎn)換器傳送電荷，因此儲(chǔ)電量不同的小電池可完全充滿電，而且功率損耗可以減至最少。若采用被動(dòng)平衡方法，部分電荷會(huì)被耗散掉，但主動(dòng)平衡方法會(huì)將這些電荷傳送到儲(chǔ)電量較大的小電池。放電時(shí)情況也大致相同，由于大容量電池的電能可以重新分配到容量較小的電池之內(nèi)，因此所有小電池都可充分放電，電池組內(nèi)不會(huì)有殘余的電能留下。具備主動(dòng)平衡功能的電池組擁有較大的實(shí)際儲(chǔ)電量，這方面比被動(dòng)平衡的電池優(yōu)勝。
主動(dòng)平衡系統(tǒng)的性能取決于平衡電流與電池充電和放電率之間的比率。電池的不平衡率越高而且充電或放電率越大，所需的平衡電流便越高。主動(dòng)式電池管理系統(tǒng)可以在充電或放電時(shí)為小電池之間的儲(chǔ)電量差額提供補(bǔ)償（假設(shè)采用的平衡電流恒定不變），圖2顯示這個(gè)差額的補(bǔ)償數(shù)值。
針對(duì)電池模塊的平衡方法
電動(dòng)汽車的電池組一般內(nèi)含多達(dá)幾百枚的小電池，全部劃分為多個(gè)不同的模塊。小電池之間與各模塊之間都同樣必須保持平衡，因?yàn)椴煌K各有不同參數(shù)，不同的溫度也會(huì)影響性能以及令模塊出現(xiàn)不同程度的老化，而且電池組必須定期檢查，甚至要不時(shí)更換舊模塊。
以上介紹的平衡方法忽略了模塊之間互相傳送電荷的問題。
有一種方法可確保模塊之間保持平衡，即將每一模塊的小電池與鄰近模塊內(nèi)的其中一枚小電池連接一起，以便在兩者之間建立一條傳送電荷的路徑。該方法的缺點(diǎn)是效率較低，因?yàn)殡姾杀仨毾葌魉椭聊骋恍‰姵兀缓笤俜峙浣o模塊內(nèi)的其他小電池。若電荷要傳送到較遠(yuǎn)的模塊，電荷便需要分開多次傳送，令效率進(jìn)一步下降。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的主動(dòng)平衡電池管理系統(tǒng)解決方案
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的主動(dòng)平衡電池管理系統(tǒng)是一個(gè)適用于大型鋰電池的全方位系統(tǒng)解決方案。基本上，這是一塊印制電路板，其中配置了多顆特殊應(yīng)用集成電路（ASIC），因此可以提供主動(dòng)電池平衡、高精度數(shù)據(jù)采集、保護(hù)及完善的電池管理等功能。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的電池管理系統(tǒng)采用優(yōu)化的隔離式電感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以提供高效率及高電流的電池平衡功能，確保各模塊內(nèi)及各模塊之間保持高度平衡。電荷可在同一模塊內(nèi)的任何小電池之間以及在不同模塊之間雙向傳送，這樣可將傳送過程中的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)減至最少，而且小電池之間和模塊之間可以同時(shí)取得平衡。系統(tǒng)也可通過智能控制算法選擇最理想的平衡策略，以便優(yōu)化系統(tǒng)性能。此外，由于這套系統(tǒng)采用模塊式的架構(gòu)，因此系統(tǒng)的規(guī)模具有較大的靈活性。由于一塊電路板可以管理多個(gè)內(nèi)含多達(dá)14枚小電池的電池模塊，因此負(fù)責(zé)管理這些模塊的每一塊電路板都可堆疊在一起，以便管理高壓電池組。堆疊一起的模塊基本上沒有數(shù)目上的限制，唯一的條件是模塊電壓不可超過絕緣元器件的最高額定電壓。平衡電流的大小取決于所選擇的元器件，工程師可以按照需要選擇電流大小，以便在成本與性能之間作出適當(dāng)?shù)娜∩幔_保兩者都符合設(shè)計(jì)要求。
除了執(zhí)行電荷平衡功能之外，電池管理系統(tǒng)還負(fù)責(zé)全面監(jiān)控電池組的操作，確保系統(tǒng)能以前所未有的精確度測(cè)量電池組內(nèi)每一小電池的電壓。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的模擬前端電路負(fù)責(zé)平衡電荷，而且在這方面一直發(fā)揮關(guān)鍵的作用，但除此之外，模擬前端電路還可保證有關(guān)電池組充電量及健康情況的估算數(shù)值準(zhǔn)確無誤。
電池管理系統(tǒng)在極短時(shí)間內(nèi)完成電池組內(nèi)所有小電池的電壓測(cè)量。換言之，整個(gè)電池組內(nèi)所有小電池的測(cè)量工作都會(huì)同步進(jìn)行。
電池管理系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)有多層診斷和故障檢測(cè)電路，可以檢測(cè)電池欠壓、過壓、通信故障、傳感器線路開路以及電池過熱等故障情況，并向主控制器發(fā)送報(bào)告。另外，系統(tǒng)還有冗余故障檢測(cè)電路，可以通過主硬件和固件通道之外的其他通道通報(bào)故障情況。有關(guān)參數(shù)會(huì)與儲(chǔ)存在固件內(nèi)的可編程閾值互相比較，內(nèi)置比較器的獨(dú)立式故障檢波器也會(huì)同時(shí)監(jiān)控有關(guān)數(shù)值。
每一電路板都配備一個(gè)多接點(diǎn)的絕緣CAN總線接口，讓電路板可與其他模塊及主控制器進(jìn)行高速通信。電路板也可利用CAN總線執(zhí)行多種不同的診斷、可編程和可配置功能。
由于這套電池管理系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確平衡電壓和準(zhǔn)確估算充電量，因此可確保系統(tǒng)能充分利用電池組內(nèi)的儲(chǔ)電，進(jìn)一步延長(zhǎng)行程里數(shù)，而且還可通過先進(jìn)可靠的“剩余容量估算功能”幫助駕駛者準(zhǔn)確預(yù)測(cè)所余“行程里數(shù)”，讓他們安心駕駛。
由于美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的電池管理系統(tǒng)具備許多先進(jìn)功能，因此無論電池處于充電、放電還是空閑狀態(tài)，這套電池管理系統(tǒng)都可準(zhǔn)確控制電池組內(nèi)各小電池的充電量，有助于大幅提高電池組的安全性和可靠性，以及延長(zhǎng)其壽命周期。
這套電池管理系統(tǒng)可為汽車用大型電池、汽車充電站儲(chǔ)電系統(tǒng)和較小型的電池組提供一個(gè)先進(jìn)而有效的解決方案。其獨(dú)特之處在于一方面適用于大型的電池組，而另一方面又與其他電池管理系統(tǒng)解決方案不同，沒有采用舊式小型電池組的設(shè)計(jì)，因此性能遠(yuǎn)比其他電池管理系統(tǒng)優(yōu)勝。
