鋰電電動(dòng)車充電系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)的一般性方案和參數(shù)研究

姚若亞 潘德武（圣邦微電子（北京）股份有限公司，北京 100000）

鋰電電動(dòng)車充電系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)的一般性方案和參數(shù)研究

姚若亞 潘德武（圣邦微電子（北京）股份有限公司，北京 100000）

可充電鋰電池在能量密度、外形靈活性和制造技術(shù)成熟使其應(yīng)用日益廣泛，正逐漸成為電動(dòng)車、自行設(shè)備和可移動(dòng)設(shè)備的主力電池種類。鋰電池充 放電的復(fù)雜性、高能量密度和高能量、應(yīng)用設(shè)備的多樣性以及采用可充電鋰電池的設(shè)備更多用于家用和商用、由非專業(yè)人員使用等特點(diǎn)，決定了充電系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)（BMS）的復(fù)雜性。充電系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)無論是從邏輯意義上還是從物理存在都有很多交叉，本文通過從邏輯和物理上進(jìn)行分隔，從而設(shè)計(jì)一個(gè)充電系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)，并根據(jù)不同分隔的需要進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。

物理分隔；電池管理；電量計(jì)量

1.邏輯分隔和物理分割

電池管理系統(tǒng)從廣義上講可以包括對(duì)充放電的全過程操控的管理系統(tǒng)。從工程實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，至少需要把應(yīng)用系統(tǒng)從邏輯意義上分割為安全類系統(tǒng)和任務(wù)執(zhí)行類系統(tǒng)，進(jìn)一步可分解為電池管理系統(tǒng)、負(fù)載管理系統(tǒng)、設(shè)備操控系統(tǒng)和充電系統(tǒng)。物理分隔則需要遵守故障分離、安裝關(guān)系等原則決定可以把那些部分放在一起和必須把哪些部分分開放置。

電池管理系統(tǒng)分解為電池保護(hù)系統(tǒng)、電池測(cè)量系統(tǒng)和電池均衡系統(tǒng)。電池保護(hù)系統(tǒng)則進(jìn)一步地分解為單電池保護(hù)和電池組保護(hù)。單電池保護(hù)包括過充監(jiān)視、過放監(jiān)視、溫度監(jiān)視；電池組保護(hù)包括放電監(jiān)視、充電監(jiān)視、單電池失衡監(jiān)視和短路保護(hù)。

部件管理服務(wù)于任務(wù)執(zhí)行。除非確定導(dǎo)致部件出現(xiàn)嚴(yán)重危害失效，部件本身不能因其安全擔(dān)憂決定其是否退出服務(wù)。不能確定嚴(yán)重危害失效時(shí)部件需要提請(qǐng)任務(wù)執(zhí)行部分，由任務(wù)執(zhí)行部分決定其是否可退出服務(wù)。安全類系統(tǒng)獨(dú)立于任務(wù)執(zhí)行類系統(tǒng)，其優(yōu)先程度由其保全目標(biāo)決定。這些邏輯系統(tǒng)大多可由單一的物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但至少電池的一次保護(hù)部分和二次保護(hù)部分需要分屬于不同的物理分割，在發(fā)生單個(gè)物理故障時(shí)仍有能力保護(hù)電池免于嚴(yán)重危害失效。以SGM41006系列產(chǎn)品和SGM41110系列產(chǎn)品為例說明這種物理分隔，這兩個(gè)各自獨(dú)立完成其任務(wù)。

SGM41006為可堆疊級(jí)聯(lián)的3～6串電池二次保護(hù)熔絲控制電路，它在監(jiān)測(cè)到單節(jié)電池出現(xiàn)電壓過高后驅(qū)動(dòng)熔絲燒毀，強(qiáng)制分?jǐn)喑潆娐窂?；其行為完全不受其它電路的約束。SGM41110則是包括了6～15串可堆疊級(jí)聯(lián)、可自主充電尾段旁路均衡、內(nèi)短路預(yù)警、單電池電壓采樣輸出和充電通道開關(guān)和保護(hù)、伺服通道開關(guān)和保護(hù)和功率通道開關(guān)和保護(hù)的多個(gè)邏輯和物理部分的單一物理分割設(shè)計(jì)。SGM41110系列產(chǎn)品的功能和應(yīng)用示意見圖 1（圖中同時(shí)表達(dá)了其與嵌入式控制器的連接和多個(gè)SGM41110系列產(chǎn)品堆疊級(jí)聯(lián)時(shí)的連接）。

圖1 SGM41111系列的應(yīng)用和功能示意

2.電池管理系統(tǒng)與電量計(jì)量和電池狀態(tài)評(píng)估

電池管理系統(tǒng)中的大部分邏輯部分和物理構(gòu)成與電量計(jì)量有關(guān)。大多情況下用戶更關(guān)心特定電池在其特定系統(tǒng)中的行為，較少關(guān)心電池本身的電量計(jì)量；系統(tǒng)設(shè)計(jì)則更關(guān)系其在系統(tǒng)中的優(yōu)化，如何快速充電、延長電池壽命和提高其安全性。以用戶的關(guān)切程度排序，電池管理系統(tǒng)需要提供3組需求相對(duì)獨(dú)立的電池系統(tǒng)參數(shù)。

（1）電池在系統(tǒng)行為的預(yù)期：包括可用電量估計(jì)、續(xù)航時(shí)間估計(jì)、是否充滿或枯竭。

（2）電池系統(tǒng)的良好程度：相對(duì)預(yù)定或預(yù)期性能的完好程度，如最大出力和總出力的保持。

（3）電池容量和最大充放電能力變化：包括現(xiàn)存容量和當(dāng)前內(nèi)阻以及相對(duì)于標(biāo)稱的變化。

這3組參數(shù)內(nèi)部是相互關(guān)聯(lián)但不可相互替代的。電池容量及其最大充放電能力需要采用電池供應(yīng)商的測(cè)量方法評(píng)估；電池系統(tǒng)良好程度需要以系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供的方法評(píng)估；在系統(tǒng)行為預(yù)期則需要根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)況評(píng)估。

Yevgen Barsukov和John Qian研究和推廣的開路電壓（即OCV）法和阻抗追蹤（Impedance tracking）法構(gòu)成了大多數(shù)現(xiàn)代用戶電池電量計(jì)量的基礎(chǔ)方法，在這個(gè)方法中庫侖積分不是必需的。所謂用戶電池電量計(jì)量是相對(duì)于電池供應(yīng)商的電池測(cè)量電量計(jì)量的說法，電池測(cè)量計(jì)量側(cè)重于電荷電勢(shì)存儲(chǔ)過程本身，庫侖積分是必須的電路環(huán)節(jié)。開路電壓法的基礎(chǔ)是對(duì)可充電鋰電池開路狀態(tài)下端電壓與其相對(duì)荷電程度（即SOC，荷電程度指當(dāng)前所荷載電量相對(duì)于從充滿到充分放電的總放電電量的比例關(guān)系）的穩(wěn)定的、與電池老化基本無關(guān)的關(guān)系的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，依據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)可以利用電池穩(wěn)定的無載電壓得到其荷電程度。開路電壓法是對(duì)電池容量測(cè)量的改進(jìn)，與負(fù)載行為無關(guān)，開路電壓法配合阻抗追蹤法，引入與充放電電流相關(guān)的參數(shù)后才具備了實(shí)用性。

一般使用條件下電池系統(tǒng)的退化是一個(gè)慢過程、以其最近的表現(xiàn)預(yù)期其當(dāng)前的行為偏差最小。電池模型包括一個(gè)物理電容和一個(gè)并聯(lián)的化學(xué)電容，其充放電都表現(xiàn)出復(fù)雜的弛豫過程，觀察和預(yù)期電池行為需要在一定時(shí)間段內(nèi)記錄其激勵(lì)變化?；谀７掠?jì)量建模激勵(lì)追蹤的電池行為預(yù)估（SGMBESTTM，即Simulated Gauging Modeling for Battery Estimation with Stimulation Tracking）是一項(xiàng)由圣邦微電子提出的、開放引用的與開路電壓和阻抗跟蹤法不同的電池電量計(jì)量算法。該算法主要包括4各方面。

第一，利用記錄的最近的電壓變化和電池的弛豫時(shí)間參數(shù)推算穩(wěn)定的電池端電壓，利用電池穩(wěn)定端電壓和穩(wěn)定端電壓變化率索引得到電池的荷電程度。參考圖 2，用來取得荷電程度值的α曲面是在電池開路電壓與荷電程度曲線ε的展開曲面Ε的基礎(chǔ)上傾斜拉伸得到的。引入穩(wěn)定端電壓變化率同時(shí)包括了電池即時(shí)容量、即時(shí)相對(duì)容量的放電速度和電池內(nèi)阻的影響，比開路電壓和阻抗跟蹤有更強(qiáng)的約束。

第二，利用在近期記錄的電壓變化數(shù)據(jù)中尋找典型的狀態(tài)作為種子狀態(tài)及時(shí)修正α曲面和和電池的弛豫參數(shù)。較長時(shí)間的穩(wěn)定充、放狀態(tài)用來修正α曲面的傾斜和拉伸，明確的突變?nèi)玳_機(jī)、關(guān)機(jī)，用來修正電池的弛豫參數(shù)。

第三，利用近期記錄的電壓變化數(shù)據(jù)把系統(tǒng)負(fù)載分解為恒功率分量、恒流分量和阻性分量，確定當(dāng)前負(fù)載在α曲面上的爬行軌跡和爬行速度，預(yù)估續(xù)航時(shí)間。

第四，利用近期記錄的電壓變化中可知電流的片段推算電池的即時(shí)容量和內(nèi)阻。

圖2 利用穩(wěn)定端電壓和端電壓變化率索引的荷電程度

3.充電電路物理分隔及其安全設(shè)計(jì)方案

交流電源的充電電路物理分隔需要同時(shí)考慮合理、經(jīng)濟(jì)和安全因素。利用獨(dú)立的交流—直流變換器向電池提供與一次電源隔離的充電電源，把電源的安全問題與電池設(shè)備安全問題分離，減少設(shè)備設(shè)計(jì)壓力和利用專業(yè)分工提高供應(yīng)選擇靈活性。如果更進(jìn)一步像手機(jī)一樣統(tǒng)一充電電源則會(huì)產(chǎn)生廣泛的社會(huì)影響、節(jié)約社會(huì)資源。交流電源充電電路從功能上分解為交流-直流變換部分、連接部分和充電管理部分。以國標(biāo)YD/T1591和歐洲OMTP標(biāo)準(zhǔn)為例，其交流直流變換器為功率有限的直流穩(wěn)壓輸出電源，利用電纜連接到手機(jī)后、由手機(jī)內(nèi)的充電電路再次控制和調(diào)節(jié)輸出到電池的電流和電壓完成充電；手機(jī)里面廣泛使用的快速充電規(guī)格，如高通推廣的QC系列快速充電方案和USB IF組織推廣的PD電源輸送方案，也采用類似的電路構(gòu)造，把一個(gè)設(shè)備要求的電壓利用電纜連接到手機(jī)。目前市面上電動(dòng)車充電器，進(jìn)一步包括OPPO 的VOOCTM方案和MTK的Pump ExpressTM方案，采用了由交流—直流變換器直接產(chǎn)生恒流恒壓輸出，利用電纜連接到電池設(shè)備完成充電的電路構(gòu)造，與電動(dòng)車充電器利用電池保護(hù)電路防止不匹配的充電電壓對(duì)電池過充不同，VOOCTM方案和Pump ExpressTM方案的設(shè)備側(cè)發(fā)送信號(hào)控制交流-直流變換器的輸出電壓。VOOCTM和Pump ExpressTM只在確認(rèn)交流—直流變換器的配套后才啟用更大功率的充電，如果不能確認(rèn)配套則只在默認(rèn)為安全的、較小的功率下充電，保證了有限功能意義上的互換性和通用性。

電纜和連接接觸在較大功率下導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)，例如連接觸點(diǎn)在接觸不良時(shí)通過大電流導(dǎo)致熔接，以及導(dǎo)線虛接、虛短旁路導(dǎo)致燒熔和打火。除了PD方案要求源和負(fù)載側(cè)相互知曉供應(yīng)和需求能力外，前面提及方案均沒有涉及連接路徑意外導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)視和處置。包括Apple快充方案在內(nèi)，這些方案局限于電纜能力和電源能力的配套認(rèn)證，都沒有制定電纜及連接狀態(tài)的隨時(shí)檢查的部分。UL2054（家用和商用電池安全標(biāo)準(zhǔn)）和UL60950（信息技術(shù)設(shè)備安全：一般要求）明確了安全低壓（SELV）的上限為60Vdc和有限功率電源（LPS）的輸出電流為8A或(1000/電壓) A。設(shè)計(jì)中引用UL標(biāo)準(zhǔn)的限制可以簡化對(duì)安全問題的研究和驗(yàn)證，需要優(yōu)先考慮采用作為上限限制。

圖3 定制—監(jiān)督安全連接方案

參考圖 3，定制—監(jiān)督安全連接方案（SSSGMTM，即Subscribing Supervising Safe Gearing Management）為圣邦微電子推廣的、開放的充電及連接方案。這個(gè)方案利用在從源側(cè)儲(chǔ)能電容到負(fù)載側(cè)退耦電容之間的連線上的脈沖序列完成：1.源和負(fù)載之間電壓電流基準(zhǔn)的校準(zhǔn)；2.定制源輸出電壓、限流和上限電壓；3.報(bào)告負(fù)載看到的電壓和電流。在這個(gè)方案中電源負(fù)責(zé)校準(zhǔn)其電壓電流基準(zhǔn)到負(fù)載的電壓電流基準(zhǔn)、產(chǎn)生默認(rèn)電壓或者負(fù)載側(cè)定制的電壓、限流值和上限電壓、監(jiān)督負(fù)載的實(shí)受電壓和電流，以及根據(jù)預(yù)定參數(shù)對(duì)路徑和連接保護(hù)；負(fù)載側(cè)負(fù)責(zé)要求定制供應(yīng)電壓、限流和上限電壓、校準(zhǔn)電壓和電流，和報(bào)告實(shí)受電壓和電流。這個(gè)方案既包括了對(duì)源和負(fù)載的保護(hù)和限制的溝通，也包括了對(duì)路徑的監(jiān)督和保護(hù)。圖中用互感器表達(dá)的電流采樣和電流注入元件在工程實(shí)現(xiàn)中可以由扼

流圈和開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)。

圖4 控制脈沖和電流電壓定制過程

圖 4左邊部分解釋如何用脈沖序列的分頻周期和相移表達(dá)兩個(gè)數(shù)據(jù)。Tv是任何隔1個(gè)脈沖的間隔時(shí)間，用來表達(dá)電壓值。較長的周期時(shí)間代表更高的電壓，但超過預(yù)期的間隔導(dǎo)致電壓復(fù)位到安全的默認(rèn)值；采用與間隔成正比的表達(dá)使得可能的脈沖干擾只引起電壓下降。相鄰的間隔時(shí)間比例關(guān)系用來表達(dá)電流。等間距的脈沖序列代表0電流，偏離等間距越大代表越大的電流。右邊部分解釋電壓、電流校準(zhǔn)，電壓電流報(bào)告和電壓電流定制的情況。連線電壓從低于欠壓閾值起（相當(dāng)于初次建立連接或有電源主動(dòng)啟動(dòng)一次冷復(fù)位時(shí)），負(fù)載側(cè)依次按實(shí)受電壓傳送電壓信息和吸入特定電流和傳送電流信息，供源側(cè)校準(zhǔn)電壓和電流到負(fù)載側(cè)的基準(zhǔn)。電流由負(fù)載側(cè)控制降低到零電流閾值以下后，負(fù)載側(cè)向源側(cè)傳送電壓和電流定制要求。其余時(shí)間負(fù)載側(cè)持續(xù)報(bào)告實(shí)受電壓和電流，源側(cè)負(fù)責(zé)檢查實(shí)發(fā)電壓和電流與實(shí)受值的差異，完成連接情況監(jiān)督和相應(yīng)實(shí)施保護(hù)。計(jì)時(shí)和占空比無論是采用數(shù)字方案還是模擬方案，都較易處理和實(shí)現(xiàn)。

4.充電用交流—直流變換器及其安全保障

具有廣泛市場(chǎng)的家用商用電源標(biāo)準(zhǔn)只有同時(shí)安全、簡便、易行才可能被市場(chǎng)接受。圖 5是圣邦微電子提出的交流—直流變換器IV輸出范圍建議規(guī)格的示意。這個(gè)建議規(guī)格與圣邦微電子“定制—監(jiān)督安全連接方案”并不是對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是更具一般性和通用性的、注重安全和一般性的，易于采用常見電源電路實(shí)現(xiàn)的充電需求的電源規(guī)格。該規(guī)格的特性包括。

（1）空載和輕載情況下僅維持安全的5V電壓輸出和限制輸出電流不超過100mA。

（2）在特定電壓時(shí)通過特定的電流窗口和電流變化轉(zhuǎn)入充電輸出IV范圍。

（3）充電輸出IV為符合充電要求的限壓限流特性，并且在較低電壓時(shí)采用較低限流、以配合電池預(yù)充的低電流要求。

（4）限制在限壓狀態(tài)輸出的累計(jì)時(shí)間，配合鋰電池不可長期在最高電壓下浮充的要求。

這個(gè)規(guī)格不包括對(duì)連線和接觸情況的監(jiān)視、也不包括對(duì)電流電壓的定制，以適合與常見的利用電池過壓保護(hù)完成充電控制的設(shè)計(jì)。在這個(gè)常見設(shè)計(jì)中，充電期間由電源提供限流能力，電池電壓上升到充滿電壓后電池組的一次保護(hù)電路斷開充電路徑、完成充電。

上述規(guī)格進(jìn)一步包括安全地啟動(dòng)不同輸出電壓限制的建議規(guī)定。這個(gè)規(guī)定與定制電壓和電流沖突，其目的在于配合電池包設(shè)計(jì)限制電池保護(hù)后需要承受的最高電壓。PD/USB IF、UL2054、GB31241、GB18287和UL60950對(duì)電池保護(hù)電路耐壓和按電池電壓范圍的安全要求提出了＜5.5V、20V～30V和30V～60V共3個(gè)電壓范圍段。如要保證電源安全地配用不同電壓段的電池，需要在啟用高電壓輸出時(shí)核實(shí)電池的電壓限制。參考圖 6，當(dāng)輸出達(dá)到某個(gè)電壓范圍的上限時(shí)負(fù)載需要降低電流到IV變化窗口規(guī)定的范圍，這時(shí)電源降低限流、輸出試圖提升一個(gè)有限的電壓增量；如果電壓提升后電流保持在IV窗口內(nèi)、啟用下一電壓和電流限制，或者電壓因電流升高無法提升預(yù)期點(diǎn)電壓增量；電流進(jìn)一步降低進(jìn)入保持狀態(tài)。

圖5 圣邦微電子建議的充電器IV輸出范圍標(biāo)準(zhǔn)

圖6 啟動(dòng)不同電壓輸出范圍的建議規(guī)定

如果希望像VOOCTM和Pump ExpressTM，或者QC/QTI、PD/USB IF和SSSGMTM，利用負(fù)載對(duì)電源的協(xié)調(diào)取得增大的功率輸送能力，滿足上述建議規(guī)定的電源仍需要增加滿足相關(guān)控制的部分。

編輯：傅金睿