電動(dòng)汽車電源管理的基礎(chǔ)框架和實(shí)施

陳天殷

（美國(guó)亞派克機(jī)電 （杭州）有限公司，浙江 杭州 310013）

1 概述

插電式混合動(dòng)力汽車 （PHEV）和純電動(dòng)汽車（BEV）是當(dāng)前汽車業(yè)快速興起的技術(shù)，都使用大功率電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源。為了給電動(dòng)機(jī)供電，需要在車輛上安裝由數(shù)百個(gè)單元鋰電池組合而成的大型電池組，其總電壓達(dá)到350～400 V。但電池的電能容量是有限的，PHEV和BEV必須定期連接到電網(wǎng)進(jìn)行再充電，其充電系統(tǒng)通常有從交流電路獲得直流電壓的AC／DC整流器及與電池組適配直流電壓的DC／DC轉(zhuǎn)換器。先進(jìn)的充電系統(tǒng)須能通過(guò)電力線 （PLC）與電網(wǎng)進(jìn)行通信，根據(jù)電網(wǎng)的狀況對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行調(diào)整。在電池組工作及充電期間實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以最大限度提高能量利用率并延長(zhǎng)電池壽命。

無(wú)論純電動(dòng)還是混合動(dòng)力 （雙動(dòng)力源）的電動(dòng)汽車，由于鋰電池自身的特性，需要用平衡電路使電池發(fā)揮最佳效能和長(zhǎng)壽命。而平衡電路功能的實(shí)現(xiàn)，仰賴于每個(gè)電池支路不同的平衡電流，只有對(duì)每一電池的電壓實(shí)時(shí)精確地測(cè)量，才能精確地對(duì)各個(gè)電池提供恰當(dāng)?shù)钠胶怆娏?，以保證其電壓的一致性。

作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電源的鋰離子電池，在運(yùn)行的過(guò)程中，放電、充電是化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能、電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的過(guò)程。單元電池的溫度和電壓控制影響著化學(xué)能和電能順?lè)闯绦虻男阅苄屎涂煽啃?。在較低的溫度時(shí)，由于化學(xué)反應(yīng)較慢，故電池單元電壓較低；溫度升高反應(yīng)速度加快；當(dāng)溫度達(dá)到100℃時(shí)，電解質(zhì)開(kāi)始分解，氧化物的分解進(jìn)一步加速溫度升高和釋放出氧氣，致使電池單元熱失控。因而保持電池處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，電池的電壓、溫度等參數(shù)都應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保精確可靠的數(shù)據(jù)采集和分析。

利用光電耦合器隔離電動(dòng)汽車大于380 V的高電壓對(duì)信號(hào)的干擾；提供系統(tǒng)保護(hù)，抑制高噪聲；也阻斷了高電壓對(duì)駕駛員及乘員帶來(lái)傷害或電擊的途徑；保障電源管理的安全性、可靠性。

每個(gè)動(dòng)力電池組電源管理的功能模塊器件還都擁有針對(duì)過(guò)壓、過(guò)放電及過(guò)熱條件的保護(hù)功能，旨在實(shí)現(xiàn)電池組和系統(tǒng)的安全性。

2 平衡電路保證鋰電池電源的高效與長(zhǎng)壽命

出現(xiàn)于1991年的鋰電池由于其突出的高能量密度 （所儲(chǔ)存能量與其質(zhì)量的比值），迅速在電動(dòng)汽車和許多追求高效能的領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

鋰離子電池放電時(shí)，鋰材料在石墨陽(yáng)極進(jìn)行離子化，這些鋰離子通過(guò)分離器藉電解質(zhì)移動(dòng)到達(dá)陰極造成電荷流動(dòng)，對(duì)外電路供給能量。充電的過(guò)程則是把整個(gè)程序反向，將鋰離子由陰極通過(guò)分離器帶回陽(yáng)極。鋰電池被設(shè)計(jì)用來(lái)提供3.0～4.3 V的電壓。確保在運(yùn)行中電池電壓在其設(shè)計(jì)界限內(nèi)，不僅關(guān)乎其效能發(fā)揮，還影響電池壽命。3.0V是電池預(yù)設(shè)的閾值，若電池電壓降至3.0V以下，鋰電池將進(jìn)入深放電狀態(tài)，充電器須進(jìn)入安全預(yù)充模式，以正常值的1／10電流充電，待電池電壓超過(guò)3.0V方可進(jìn)入快充模式。視深放電的程度有時(shí)需要數(shù)小時(shí)后甚至數(shù)天方能恢復(fù)。

多次或嚴(yán)重的深放電可能會(huì)造成電池的短路，電池一旦真正達(dá)到短路的狀態(tài)就無(wú)法恢復(fù)。而過(guò)充電，電壓高于4.3V則會(huì)更糟，不僅損壞電池，而且造成過(guò)熱或其他災(zāi)難性的后果。電源管理的電子控制系統(tǒng)必須保證每個(gè)電池在充電時(shí)電壓低于4.2 V；而電池電壓降低到3.2V時(shí)，停止再放電，與負(fù)載斷開(kāi)。在電動(dòng)汽車中電池電源總是由數(shù)十個(gè)單個(gè)電池串聯(lián)起來(lái)工作，電源電壓等于各個(gè)單個(gè)電池電壓之和。放電時(shí)，負(fù)載電流由串聯(lián)的電池共同提供；充電時(shí)，串聯(lián)著的各個(gè)電池也會(huì)流經(jīng)相同的充電電流。在電池的整個(gè)生命周期中會(huì)進(jìn)行數(shù)百次、數(shù)千次充電放電。但每個(gè)電池的內(nèi)阻等參數(shù)必然有所差異，防止其中部分電池失配，造成一個(gè)或多個(gè)電池欠充電或過(guò)充電，導(dǎo)致電池失效是電源管理的首要任務(wù)。

電池電源的平衡就是用電子線路強(qiáng)制所有電池在整個(gè)工作過(guò)程中都具有相同電壓。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的線路叫做平衡電路。電池的平衡電流Icell如公式（1）所示。

式中:Icell——電池平衡電流；Ucell——電池電壓；Uavg——電池的平均電壓；Ri——各電池支路的均衡電阻，因?yàn)殡姵貎?nèi)阻本不大，故Ri數(shù)值亦較小，為個(gè)位數(shù)量級(jí)Ω。

平衡電路采用共享總線，其總線電壓等于所有電池的平均電壓。由高效率的雙向DC／AC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)超過(guò)共享總線電壓的電池向電壓較低的電池注入電能充電。為縮短達(dá)到平衡所需要的時(shí)間，平衡電流大于1 A，而雙向DC／AC轉(zhuǎn)換器通過(guò)平面變壓器工作在頻率100kHz附近。

每一電路實(shí)質(zhì)是帶有諧振復(fù)位信號(hào)的前向轉(zhuǎn)換器，其開(kāi)關(guān)頻率由鎖相環(huán)控制，提供精確的低損耗開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)高效率。實(shí)際的集成化模塊的電池電子單元 （BCU）具有電壓監(jiān)控功能，單元電池電壓的精度為10 mV，該數(shù)據(jù)由12位A／D和串行數(shù)據(jù)遙測(cè)技術(shù)測(cè)得。

圖1畫(huà)出了使用串行共享總線的5個(gè)電池的平衡電路。平衡電流的大小與各電池對(duì)電池平均電壓的電壓差成正比，見(jiàn)公式 （1）。

動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)SOC（State of Charge）用來(lái)表示電池剩余的容量。數(shù)值上定義為電池的剩余容量與電池額定容量的比值。100%表示電池滿容量。電池運(yùn)行 （即放電）時(shí)，由于采用平衡電路使所有電池的電壓都接近電池的平均電壓。在充電時(shí)，平衡電路保證每個(gè)鋰電池都精確地達(dá)到4.2 V，實(shí)時(shí)監(jiān)視、測(cè)量電池總電壓的充電電路就有可能使電池實(shí)現(xiàn)更高的荷電狀態(tài)，使之接近100%，且不會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)電池過(guò)充電，從而避免造成損壞。

電池內(nèi)部的熱管理:一般使用外部熱敏電阻來(lái)監(jiān)測(cè)電池溫度，功能模塊用調(diào)節(jié)電流來(lái)控制電池管芯的溫度。如充電時(shí)，無(wú)論任何情況下，系統(tǒng)電流ISYS的供電優(yōu)先級(jí)高于充電電流，所以溫度升高時(shí)首先降低充電電流。

3 測(cè)量精確度是確保電池平衡的前提

為了實(shí)現(xiàn)電池電源的長(zhǎng)壽命，電池組一般在荷電狀態(tài) （SOC）的20%～80%工作。這不僅取決于平衡電路，更需要有足夠高的測(cè)量精度和算法精度來(lái)保證。圖2是典型的鋰電池組工作原理方框圖。幾組串聯(lián)的鋰電池其測(cè)量和平衡由高壓模擬集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。模擬前端 （AFE）集成電路測(cè)量每節(jié)電池的電壓、電流和溫度，并向控制電路數(shù)據(jù)鏈路傳遞數(shù)據(jù)?？刂破鬟\(yùn)用測(cè)得的電池參數(shù)計(jì)算電池組的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)，從而控制器根據(jù)判據(jù)命令前端集成電路對(duì)某些電池充電或放電，使電池組保持平衡高效的荷電狀態(tài)。

確保電池工作在優(yōu)化的荷電狀態(tài)，模擬前端集成電路的測(cè)量準(zhǔn)確度對(duì)系統(tǒng)成本有直接影響，電壓精確測(cè)量又是SOC算法的關(guān)鍵因素。測(cè)量3.3V磷酸鐵鋰LiFePO4，要求測(cè)量精度控制在1 mV以內(nèi)。電壓大于1%的誤差，SOC計(jì)算會(huì)達(dá)到5%的不確定性，導(dǎo)致電源整體成本相應(yīng)增加。一般設(shè)計(jì)都是以15年的使用壽命來(lái)考核的。

當(dāng)前國(guó)際上主力的IC制造商皆藉助信號(hào)穩(wěn)頻與鎖相的自動(dòng)頻率調(diào)整的AFT電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的精確測(cè)量。多路復(fù)用器 （MUX）的主要功能是對(duì)數(shù)十路被測(cè)電池電壓進(jìn)行選擇，保證在某一時(shí)刻只有一路電壓進(jìn)入后級(jí)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）將測(cè)得的電池電壓與電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較，誤差由精密的電容設(shè)計(jì)和組件微調(diào)來(lái)解決。電壓基準(zhǔn)運(yùn)用集成化的齊納基準(zhǔn)電壓源。當(dāng)然電壓基準(zhǔn)有可能隨溫度、濕度、線路板組裝應(yīng)力、熱沖擊等因素產(chǎn)生基準(zhǔn)漂移，在模塊化系統(tǒng)中采取一系列相應(yīng)的措施來(lái)消除。

抵御在電池模塊和控制電路之間傳輸數(shù)據(jù)的線束上的電磁干擾 （EMI），模塊安排了多通道傳感器模擬前端 （AFE）予以解決，也降低了數(shù)據(jù)通信的成本。

近年來(lái)，總線化成為一個(gè)方向，各電子單元通過(guò)總線進(jìn)行通信，信息交換，傳輸當(dāng)前的狀態(tài)信息，接受中央控制單元的指令并執(zhí)行特定的功能?？偩€化增強(qiáng)了汽車的整體性，也提高了軟件在汽車制造技術(shù)中的地位。模塊化電池組如今也采用集合的控制器局域網(wǎng) （CAN）通信和數(shù)字隔離器:微處理器 （MPU）將數(shù)據(jù)從CAN協(xié)議轉(zhuǎn)換到AFC集成電路、更簡(jiǎn)單的串行外圍接口SPI或I2C總線協(xié)議。

圖3為運(yùn)用CAN的隔離式數(shù)據(jù)通信框圖。

4 主動(dòng)電荷平衡加速充電并增大能量

正確設(shè)計(jì)的主動(dòng)電荷平衡系統(tǒng)能高效率地在整個(gè)電池組中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地重新分配電荷，并基于平均容量的電池，而不是最低容量的電池，確保達(dá)到20%～80%狀態(tài) （無(wú)論是在充電還是放電的過(guò)程）。雙向主動(dòng)電荷平衡常采用非隔離型同步反激式拓?fù)?，保證測(cè)量準(zhǔn)確度和恒久的穩(wěn)定，不僅加速充電，電池組還可從每節(jié)電池獲取更多的能量，平衡電流可高達(dá)10A。主動(dòng)電荷平衡不僅能以更低的能量加速充電，也有助于恢復(fù)電池容量，電池可以實(shí)現(xiàn)非常高的 （＞80%）容量恢復(fù)。

通信和控制是車輛運(yùn)行的重要基石。實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性、環(huán)保性皆是當(dāng)今汽車電子技術(shù)的特點(diǎn)和核心要求。還需滿足電源管理系統(tǒng)在功耗和電磁兼容性等方面獲得最佳的綜合品質(zhì)。

5 光電耦合器隔離高電壓改善安全性

市場(chǎng)化的經(jīng)濟(jì)體制帶來(lái)了高效的資源配置，利用光電耦合器可以有效隔離高電壓，不影響數(shù)據(jù)采集、分析和通信，改善電動(dòng)汽車電池組的安全性。

電池組監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)以及隔離接口組成的架構(gòu)和零組件如何有效隔離高電壓，對(duì)于安全性至關(guān)重要。電池接口模塊提供的數(shù)據(jù)會(huì)送到電池能量控制模塊中，該模塊會(huì)將運(yùn)行狀態(tài)、故障情況診斷信息提供給作為車輛診斷主控制器的控制模塊。整個(gè)系統(tǒng)以每秒超過(guò)5000次的頻率對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行診斷。其中85%的診斷任務(wù)聚焦于電池組的安全性、電池性能與壽命的控制。

圖3中部一些豎直陰影線表示的數(shù)字屏蔽器（Digital Isolator）實(shí)質(zhì)意為 “數(shù)字通信的高電壓屏蔽器”。它是采用裝有光電耦合器的多層電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)的，既保證數(shù)據(jù)傳遞、通信和處理的信號(hào)完整性，又隔離了高電壓。設(shè)計(jì)中著眼于高的信號(hào)完整性，采用4層電路板的走線布局技術(shù)、隔離技術(shù)和接地平面的組合布局。其中最上層包含大多數(shù)零組件，如光隔離器、接地平面和有供接受發(fā)光二極管LED光線的多個(gè)通孔的信號(hào)走線，提供通往次一層電路板的連接路徑；第2層則使用電源和接地平面分布于電路板高電壓區(qū)的下方；第3層包含了通過(guò)這些區(qū)域下方的信號(hào)走線；第4層 （也就是第3層印刷線路板的背面）包含接地平面、部分零組件和信號(hào)走線。

實(shí)際應(yīng)用中往往采用多重隔離以保護(hù)獨(dú)立的子系統(tǒng)，還使用專用的算法管理鋰離子電池組，并監(jiān)測(cè)電池組接口控制模塊上每個(gè)感應(yīng)子系統(tǒng)中的電池組。作為整體電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，總是包含在控制器局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)CAN總線信號(hào)接口和某個(gè)高電壓故障信號(hào)中，同時(shí)系統(tǒng)的安全性可靠性也有賴CAN總線網(wǎng)絡(luò)和高電壓感應(yīng)電路間的安全隔離，光電耦合器成為這類型應(yīng)用的首選解決方案。

根據(jù)電動(dòng)汽車電池組的要求，電源管理系統(tǒng)的光電耦合器器件及其組成的功能模塊其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需耐受600V連續(xù)工作電壓，6000V最高瞬態(tài)過(guò)電壓，5mm爬電距離和5mm電氣間隙不擊穿。在10mA順向輸入電流時(shí)，無(wú)論邏輯高電平或低電平都具有30kV／μs的共模瞬變抗擾度，以降低其他車輛上的子系統(tǒng)變化進(jìn)入CAN傳輸線網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)。

作為車輛電源管理系統(tǒng)中光電信號(hào)轉(zhuǎn)換的光源——發(fā)光二極管LED和接受光的光敏二極管，其技術(shù)要求遠(yuǎn)高于消費(fèi)型產(chǎn)品。車輛電源管理系統(tǒng)中應(yīng)用的光電耦合器制成與LED相組合的密封型，以獲得更強(qiáng)的可靠性和更廣的工作溫度范圍。

圖4為光電耦合器的器件圖。它是電—光—電轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體器件，實(shí)現(xiàn)以光信號(hào)為媒介的電信號(hào)傳輸。發(fā)光部分是輸入端，受光部分是輸出端。發(fā)光部分由發(fā)光二極管將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)；受光部分由光敏器件將輸入端傳遞過(guò)來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這樣輸入-輸出端的信號(hào)得以高速傳遞，而由于發(fā)光器件和光敏器件分別置于沒(méi)有電線路相連接的輸入輸出回路，因而，光電耦合器輸入輸出端在電氣性能上是完全隔離的。它工作溫度范圍寬、壽命長(zhǎng)、體積小、無(wú)觸點(diǎn)、抗干擾，這些正符合電動(dòng)汽車的控制回路中需將電源高電壓隔離，又得高速采集分析數(shù)據(jù)和傳遞信息的要求。

光電耦合器其輸入特性可由發(fā)光二極管的伏安特性表示；光敏二極管的伏安特性即是其輸出特性。傳輸數(shù)字量回避了光電耦合器的非線性缺陷；減小自身分布電容、構(gòu)筑推挽式電路和增加光敏基極正反饋等措施能數(shù)十倍提高傳輸速度，滿足汽車電子對(duì)光電耦合器開(kāi)關(guān)速度的要求。

在汽車這樣有著高電磁干擾 （EMI）環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)可靠的通信和控制，必須充分考慮系統(tǒng)快速開(kāi)關(guān)和高電流變化所造成的電磁干擾EMI會(huì)限制超高速元件的需求，從而轉(zhuǎn)向提高對(duì)調(diào)整壓擺率和抑制EMI性能等方面的更高靈活度要求。

光電耦合器1～5 M波特率對(duì)于電源管理系統(tǒng)已足付應(yīng)用。雖然CAN物理層傳輸協(xié)議已自帶較低的EMI，采用集電極開(kāi)路輸出可調(diào)整輸出壓擺率，進(jìn)一步降低包括CAN收發(fā)器等來(lái)自其他零組件快速開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射。

電池組控制模塊的電路板，每一個(gè)都包含多個(gè)感應(yīng)電路和CAN通信電路，并通過(guò)通信子系統(tǒng)邊緣的光電耦合器進(jìn)行隔離。電池組接口模塊的線路板光電耦合器位于通信區(qū)的邊緣，通過(guò)更深層電路板的接地面屏蔽，進(jìn)一步將其與高電壓感應(yīng)子系統(tǒng)隔離。隔離接口提供3個(gè)獨(dú)立的光電耦合器給3個(gè)由感應(yīng)電路出來(lái)的連接線——CAN發(fā)射輸出引腳，微控制器的CAN接收輸入引腳和微控制器的高電壓故障信號(hào)。微控制器的CAN發(fā)射引腳輸出通過(guò)電路板的屏蔽信號(hào)層到達(dá)光電耦合器的陽(yáng)極，提供嵌入式LED能量，使輸出引腳電位狀態(tài)變化。

數(shù)字信號(hào)隔離、提高抑制EMI能力和系統(tǒng)的安全保護(hù)是光電耦合器在電源管理系統(tǒng)中的三大作用。

6 結(jié)語(yǔ)

電池管理系統(tǒng)通常被分為若干子模塊，可安放在汽車內(nèi)的不同位置。所有這些模塊都需要有電池監(jiān)控和電池電量平衡功能，常常通過(guò)不同的通信路徑相連以確保系統(tǒng)的冗余度。內(nèi)部的溫度管理功能電路也影響系統(tǒng)壽命和安全性，各主力IC生產(chǎn)公司都開(kāi)發(fā)有多系列包括電壓及溫度監(jiān)視器、電量平衡器和數(shù)據(jù)通信專用于動(dòng)力電池組的電源管理系統(tǒng)。本文僅就動(dòng)力電源的鋰離子電池基本框架進(jìn)行原理性的敘述，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用皆以各自車型需求選擇集成化智能化的功能模塊。

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