電池組是電動(dòng)工具、踏板車和電動(dòng)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(dòng)汽車的整車級關(guān)注點(diǎn)，包括車輛續(xù)航里程、電池組使用壽命和充電時(shí)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(hù)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(jì)數(shù)等關(guān)鍵功能，同時(shí)確保整個(gè)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(dòng)汽車電池設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要品質(zhì)因數(shù)。這些品質(zhì)因數(shù)由多個(gè)車輛級性能參數(shù)驅(qū)動(dòng);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(chǔ)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(dòng)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(yùn)動(dòng)的牽引驅(qū)動(dòng)器。這使得所謂的“滑板”配置在多個(gè)電動(dòng)汽車平臺(tái)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(diǎn)。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(fèi)產(chǎn)品的熱失控問題已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。最后，鋰離子電池是一項(xiàng)昂貴的技術(shù)，不僅因?yàn)闃?gòu)成電池的特殊材料，還因?yàn)闉榱藘?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(dá)到飽和，甚至在放電時(shí)，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(dòng)汽車有吸引力的能源，因?yàn)殡姵卦谳^寬的運(yùn)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(huì)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(shí)，電池被視為已充滿。雖然提高充電電流不會(huì)影響總充電時(shí)間，但它可以加快達(dá)到 70% 左右容量穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間。

事實(shí)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?yàn)殇囯x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(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)“電池平衡”，以確保電池組中的所有電池(串聯(lián)的多個(gè)電池)實(shí)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(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)歷了多次充電和放電循環(huán)。電動(dòng)汽車可以通過傳達(dá)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(bǔ)這一點(diǎn)。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(kuò)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(dòng)力電動(dòng)汽車 (HEV) 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(yùn)行。串聯(lián)中的每個(gè)電池都必須單獨(dú)進(jìn)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(jì)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(shí)會(huì)結(jié)合庫侖計(jì)數(shù)(測量進(jìn)出電池組的安培秒流量)作為交叉檢查來估計(jì)整個(gè)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(jì)高效且優(yōu)化的解決方案。此類監(jiān)控和平衡器件的一個(gè)示例是STMicroElectronics 的L9963芯片，該芯片每個(gè)芯片最多支持 14 個(gè)電池，并具有最多 7 個(gè) NTC 溫度傳感器輸入。

一顆L9963芯片提供了實(shí)現(xiàn)14個(gè)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(hù)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(gè)電池組逐個(gè)電池的充電狀態(tài)指示。

將一個(gè)或多個(gè)此類設(shè)備與合適的微控制器相結(jié)合(以實(shí)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(gè)連接的電池，CMU 都會(huì)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(gè)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(shí)現(xiàn)電池之間的有效電荷平衡，可以應(yīng)用被動(dòng)平衡方法。可切換負(fù)載與每個(gè)電池并聯(lián)放置，以便在充電階段，各個(gè)電池的充電水平可以保持恒定或在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)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(shí)，這可以平衡整個(gè)電池組的充電水平。

這里，L9963 電池保護(hù)芯片簡化了這種無源平衡，因?yàn)樗峁┘善胶?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(xiàng)，有助于對平衡過程進(jìn)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詫⒏邏弘姵赜蚺c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(dá) 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(gè) L9963 設(shè)備串聯(lián)的 96 個(gè)電池組成，每個(gè)電池管理 14 個(gè)電池組，并且所有 L9963 設(shè)備通過單個(gè)菊花鏈通信接口進(jìn)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(dá) ASIL D 的安全要求)，設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shí)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(gè)能量傳輸和存儲(chǔ)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(dòng)汽車銷量的持續(xù)增長，電動(dòng)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(dòng)汽車 (BEV) 以及混合動(dòng)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(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)這一點(diǎn)。