適用于混能及全電動汽車的電池管理系統(tǒng)

美國國家半導體 Jack Marcinkowski

混能及全電動汽車廣受市場歡迎，其增長率更是一直大幅飆升，因此顯示汽車電動化的發(fā)展即將進入另一個嶄新的階段。

對于電動汽車來說，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)可為混能及全電動的汽車提供一個理想的解決方案，解決電池組電量不足的問題。正如Chevy Volt的設計團隊所言：“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?！?/p>

被動平衡解決方案及其相關(guān)問題

電池管理系統(tǒng)的設計要面對許多問題，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過量充電等。鋰電池對于過壓情況極為敏感，過壓會降低電池性能，甚至會令電池嚴重受損，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，因此部分電池會較快充滿電，以致這些電池會因為出現(xiàn)過壓而嚴重受損，無法再次使用。

目前有一個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)。

被動平衡方法無法在電池放電時發(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，其儲電量也是不盡相同。這個現(xiàn)象稱為儲電量失衡。即使不同小電池的儲電量在開始時完全相同，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際儲電量也會各不相同。此外，同一廠商生產(chǎn)的小電池都各有不同的性能參數(shù)，因此廠商通常會嚴格挑選參數(shù)差距最少的小電池放在同一電池組內(nèi)。但整個測試過程需要花費較多時間，而且不合格的小電池會被篩出，這樣會增加廠商的成本負擔。隨著電池老化，其儲電量也會相應遞減，令各小電池的參數(shù)差距進一步擴大。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，但引進這種技術(shù)會大幅增加成本。

實際儲電量較低而且呈“弱勢”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勢電池少。經(jīng)過一段時間的使用之后，這類“弱勢”的小電池會較快老化，儲電量的跌幅也較大。換言之，這些小電池的壽命會更短，整個電池組的壽命也會因此而縮短。

主動平衡的解決方案

主動平衡方法可以解決鋰電池所面對的問題。主動平衡系統(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到平衡，而且充電速度也更高，這是被動平衡方法所無法做到的。

空閑的電池也會漏電，而且即使不同的小電池之間已達到完全平衡狀態(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。主動平衡功能可以確?？臻e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)的所有儲電。

圖1顯示了主動平衡方法相比被動平衡方法的優(yōu)勢。由于電池各有不同的儲電量，采用被動平衡方法，電池組的總儲電量相等于充電時的最高和最低儲電量之間的差額。

整個電池組可以不斷放電，直至某一小電池的儲電量已降至其最低水平為止，此時其他小電池還有未用的殘余電能，因此電池組的實際儲電量（充電量）會減少。

由于主動平衡方法可以在充電時利用高效率的電源轉(zhuǎn)換器傳送電荷，因此儲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。若采用被動平衡方法，部分電荷會被耗散掉，但主動平衡方法會將這些電荷傳送到儲電量較大的小電池。放電時情況也大致相同，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)不會有殘余的電能留下。具備主動平衡功能的電池組擁有較大的實際儲電量，這方面比被動平衡的電池優(yōu)勝。

主動平衡系統(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。主動式電池管理系統(tǒng)可以在充電或放電時為小電池之間的儲電量差額提供補償（假設采用的平衡電流恒定不變），圖2顯示這個差額的補償數(shù)值。

針對電池模塊的平衡方法

電動汽車的電池組一般內(nèi)含多達幾百枚的小電池，全部劃分為多個不同的模塊。小電池之間與各模塊之間都同樣必須保持平衡，因為不同模塊各有不同參數(shù)，不同的溫度也會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。該方法的缺點是效率較低，因為電荷必須先傳送至某一小電池，然后再分配給模塊內(nèi)的其他小電池。若電荷要傳送到較遠的模塊，電荷便需要分開多次傳送，令效率進一步下降。

美國國家半導體的主動平衡電池管理系統(tǒng)解決方案

美國國家半導體的主動平衡電池管理系統(tǒng)是一個適用于大型鋰電池的全方位系統(tǒng)解決方案?；旧希@是一塊印制電路板，其中配置了多顆特殊應用集成電路（ASIC），因此可以提供主動電池平衡、高精度數(shù)據(jù)采集、保護及完善的電池管理等功能。

美國國家半導體的電池管理系統(tǒng)采用優(yōu)化的隔離式電感拓撲結(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內(nèi)含多達14枚小電池的電池模塊，因此負責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?shù)娜∩?，確保兩者都符合設計要求。

除了執(zhí)行電荷平衡功能之外，電池管理系統(tǒng)還負責全面監(jiān)控電池組的操作，確保系統(tǒng)能以前所未有的精確度測量電池組內(nèi)每一小電池的電壓。美國國家半導體的模擬前端電路負責平衡電荷，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)值準確無誤。

電池管理系統(tǒng)在極短時間內(nèi)完成電池組內(nèi)所有小電池的電壓測量。換言之，整個電池組內(nèi)所有小電池的測量工作都會同步進行。

電池管理系統(tǒng)的內(nèi)部設有多層診斷和故障檢測電路，可以檢測電池欠壓、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)送報告。另外，系統(tǒng)還有冗余故障檢測電路，可以通過主硬件和固件通道之外的其他通道通報故障情況。有關(guān)參數(shù)會與儲存在固件內(nèi)的可編程閾值互相比較，內(nèi)置比較器的獨立式故障檢波器也會同時監(jiān)控有關(guān)數(shù)值。

每一電路板都配備一個多接點的絕緣CAN總線接口，讓電路板可與其他模塊及主控制器進行高速通信。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)能夠準確平衡電壓和準確估算充電量，因此可確保系統(tǒng)能充分利用電池組內(nèi)的儲電，進一步延長行程里數(shù)，而且還可通過先進可靠的“剩余容量估算功能”幫助駕駛者準確預測所余“行程里數(shù)”，讓他們安心駕駛。

由于美國國家半導體的電池管理系統(tǒng)具備許多先進功能，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、汽車充電站儲電系統(tǒng)和較小型的電池組提供一個先進而有效的解決方案。其獨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計，因此性能遠比其他電池管理系統(tǒng)優(yōu)勝。