电动汽车中的数字电源控制和电池管理策略

　　加强能源效率并减少气体排放的"绿色"汽车，增强保护并提高安全功能水平这两大主要趋势正驱动着新一代汽车的发展。显然，采用绿色环保设计的汽车不一定就是混合动力汽车（HEV）。其实有许多传统技术都可以使汽车更加符合环保要求，有助改善燃料效率和减少气体排放，例如直接燃油喷射、可变气门控制、停缸节油、涡轮增压引擎、润滑引擎等。 随着汽车制造厂商对下一代电池管理和充电系统要求的确定，半导体公司正在推进预期能够满足这些要求的产品开发进程。本文将讨论与插电式混合动力汽车（PHEV）中的大功率（》3kW）、离线式电池充电器开发相关的设计要求、架构及挑战，并举例说明为何要为这类应用创建数字电源架构。

　　数字化电源的本质在于电源对输出电流/电压的PWM调节是由数字芯片按照一定的数字控制方式和算法产生，这是数字电源的最本质特征。那些扩充了8位、16位单片机来提供数字输入输出操作界面、远程通讯接口但是电源的PWM调节还是依赖模拟电源调制芯片的电源，只能说它们长了个数字电源的脸，但是没有数字电源的"芯"。研究表明，电池和超级电容构成的复合电源有较强的脉冲性能，很适合作为车载电源。如何将以往对车载电源的各种单一性要求，如高效率、功率大、动态响应速度快、多种工作状态、精度高等特点，在复合电源较好的集中体现出来，这是一个很有挑战性并且极具现实意义的研究内容。

　　电动交通工拒泛指使用高压电池和电动机进行推进的车辆。与仅用内燃机（ICE）提供动力的汽车象比，这种技术的优势在于，电动机在产升扭矩（特殊是在加速过程中）时要比ICE高效得多。

　　电动汽车设计环境

　　电动交通工具泛指使用高压电池和电动机进行推进的车辆。与仅用内燃机（ICE）提供动力的汽车相比，这种技术的优势在于，电动机在产生扭矩（特别是在加速过程中）时要比ICE高效得多。另外，电动汽车可以在刹车时回收动能，而其它类汽车只能以热量的形式损耗掉。电动汽车的优点是其污染物的零排放，并摆脱了对石油资源的依赖。

　　混合动力汽车（HEV）与新兴的PHEV汽车不同，它们使用较低容量的电池和电动机辅助主要ICE加速。这种混合扭矩加上再生制动能力可进一步改善燃油利用率，并减少碳排放。根据对电动车未来发展趋势报告预测：到那时电池成本将降低到现在的40%左右，电动车一次充电有可能行驶201至303km。这些技术进步，很有可能驱动全世界电池电动车和插电式混合动力车市场份额增长到10%。

　　不过，减少排放还不能完全满足针对汽车零排放的最新法律要求。因此，作为新兴汽车PHEV的动力完全来自于清洁电网能量。

　　所谓的串联电动汽车与并联HEV不同，不是从两种来源混合扭矩。所有推进扭矩来自更大的电动机，一般大于80kW.在某些情况下，会增加一个小型的、性能经过优化的续驶里程ICE,用于解决纯电动汽车电池的里程限制问题。ICE用作发电机给电动机供电，并给电池充电。不管是在PHEV还是HEV中，增加高压电池和电动机从根本上改变了汽车的电气、机械和安全系统。因此最终需要复杂和高度智能的功率电子和电池管理系统。

　　电池设计挑战

　　现有一种锂离子电池电路保护的新方法，通过替代传统的高成本、占用空间的保护技术，从而应对这些市场挑战。该新型混合技术将一个双金属保护器和一个PPTC（聚合物正温度系数）器件并联在一起。由此产生的双金属与PPTC结合器件（MHP）可帮助提供在高速放电电池包中的可复位过流保护，同时通过利用PPTC器件的低阻抗来防止双金属保护器在更高电流时的电弧放电行为，并通过加热双金属来保持它的开路和闭锁状态。

    电动推进系统的高成本表现在产品开发和元件复杂度方面，需要采用复杂和容错性的汽车智能和功率电子系统连续管理数十千瓦的功率。为最大限度降低成本并最大限度提高效率，下一代电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)系统设计工程师需要利用全部可用的电池存储容量，这要求电池监视架构必须是全面、准确和鲁棒的，但又不会因此而牺牲成本和可靠性。根据具体的汽车，油量表可能只是由连接到一个发送部件的加热线圈所驱动的双金属条。而在电动汽车中，"油箱"是由串联/并联的许多电池单元（可能100节或以上）组成的高压电池。对电荷状态（SOC）的精确判断要求对每节电池进行精确的电压测量（在几个毫伏内）。

　　BMS是一个高精度的系统，用于向中央处理器报告有关电池单元的电压、电流和温度等详细信息，然后由中央处理器负责计算电池的SOC.不能精确地测量电池不仅会误报电池SOC,还会缩短电池使用寿命，或产生不安全的、潜在性的灾情。不同的电池适合不同的应用领域，所以具体应用成为激发更多技术变革的源泉。“当从混合动力向纯电动车发展时，可能需要将电池产品性能提高三倍或四倍。

　　为了避免出现这种情况，业界开发出了满足ISO26262之类新兴标准的IC,它们通过硬件内置测试功能，以及为电池单元的过压/欠压监视等安全关键功能提供的N+1冗余保护，来确保系统可靠运作。如果电池组中的一节电池被迫进入深度放电状态，或被过度充电，这节电池可能永久性损坏，并可能出现热失控--自我破坏状态。因此，除了主要的电池监视系统外还需要二级保护。

　　更先进的BMS能够同步电压和电流测量，并作为连续测量电池阻抗的一种方式。阻抗是电池健康状态（SOH）的一个重要指示。

　　图1：针对多电池数量应用的电池管理系统。

　　图1显示了足以用来测量电池SOC和SOH的典型电池单元配置和BMS。如果某节电池单元先于其它电池达到了最大或最小电压，充电或放电周期必须被中断。（图中用绿色标示的）单元平衡电路用于确保所有单元被均匀一致地充电和放电。

　　电池充电器基本原理

　　电动汽车充电器是根据输出功率/输入电压分类的。一类充电器通常集成在电路板上，输入的是95V至265V的交流电压，充电能力在1.5kW和3.3kW之间。专用的二类和三类充电器工作于240V/480V配线系统，能够以快得多的速率完成充电，但限于汽车电池和连接器约束范围内。例如，SAE J1772是目前北美地区唯一获得批准的电动汽车连接器标准，功率限制为16.8kW以下。

　　与用于便携式电子设备的电池不同，汽车级电池可以适应大得多的充电电流，而不会影响电池寿命或接近热失控。充电器的额定值（C）被定义为流入电池的电流，正比于以安培－小时（Ah）为单位测量的电池容量。例如，一个1C充电器以1A的电流给1Ah电池充电。

　　尽管传统的锂离子电池可能限于1C，但一些汽车电池可以用远高于这个限值的电流充电，从而缩短再次充电时间。事实上，工作在480V/三相电压的大功率三类充电器，给电动汽车电池充电的时间与加满一箱油的时间相近。

　　请注意，电动汽车的电池容量一般是用千瓦时表示，将千瓦时额定值除以标称电池平坦电压，可松散关联到电池的安培小时额定值。

　　充电器的架构设计

　　板载充电器必须符合严格的电磁兼容性、功率因数和UL/IEC安全标准方面的工业和政府法规要求。与所有其它的锂化学工业一样，电动汽车推进电池充电器采用恒流、恒压（CC/CV）充电算法，电池先被可编程的电流源充电，直到它达到电压设置点，然后转入稳压阶段，同时监视电池电流作为充电周期完成的指示。

　　充电电流（功率）由BMS、混合控制模块（HCM）和电动车服务设备协商确定，具体取决于使用的输入电压、温度和电池SOC/SOH，以及受HCM监视的其它系统考虑因素。这种控制算法的安全性和容错性不能打任何折扣。

　　合适的电源架构涉及交错式功率因数校正（PFC）和随后的相移全桥电路，如图2所示。控制反馈参数由微控制器数字化。这个微控制器能够以数字方式关闭多个控制环路，并精确地调制高压MOSFET开关。集中和高度智能的控制机制可以应对模拟技术不易解决的许多问题。

　　图2：用于连接交错式PFC和移相桥的数字控制接口。

　　更先进的微控制器集成协处理器（控制律加速器（CLA））和多个高分辨率脉宽调制器（PWM），前者用于加速控制环路传输函数的运算，后者能够控制功率开关在150ps内。这种架构能够动态适应线路和负载的变化，记录系统操作参数数据，并实现前瞻性的无差错算法，同时通过一个地隔离的控制区域网络智能连接所有其它汽车子系统。

　　针对数字补偿和每种可能的电源拓扑的大型、可扩展的模块化软件库可以由有经验的软件设计师进行集成；另外还能获得与数字和模拟电源解决方案作对比的测试报告。例如，考虑图2所示的两相交错式PFC功能。PFC升压开关受到实现多模式PFC的PWM1控制，可以产生电池充电器的兼容电压。

　　从图3可以明显看出这种拓扑的适应性，其中的数字补偿和相位管理模块在软件控制下是可变的。采用数字技术还能使系统不易受噪声和温度的影响，同时智能同步电源级电路，使干扰最小并优化滤波器设计。

　　图3：大功率PFC方法的软件模块化编程。

　　图3阐明了升压PFC的完整代码模块性。类似的代码构造可以用零电压开关实现移相桥，从而使转换器开关损耗达到最小，同时提高效率。级联拓扑能够达到95%以上的充电器效率，并使系统故障容错性能最大化，系统成本降至最低。