混合动力电动汽车的电池管理架构分析.doc

混合动力电动汽车的电池管理架构分析用于电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)的电池技术已经获得了显著进步不但电池能量密度已稳步提高而且电池还能可靠地充电和放电数千次。如果设计工程师能有效利用这些技术进步那么就成本、可靠性和寿命而言电动汽车和混合动力电动汽车就有潜力与传统汽车竞争。一个电池规定的容量是指电池从100%充电状态到零充电状态所能提供的电量。充电到100%充电状态或放电到零充电状态会迅速缩短电池寿命因此应该仔细管理电池以避免完全充电或完全放电状态。与工作在30%到70%的充电状态之间(利用40%的容量)相比工作在10%充电状态到90%充电状态之间(利用80%的规定容量)可以将电池的充电循环总次数减少到原来的1/3或更低。在有效电池容量和电池寿命之间进行平衡给电池系统设计工程师带来了挑战。考虑前文提到的利用40%容量与利用80%容量的情况。如果系统将电池为限制为仅使用其40%容量以便使电池寿命延长到原来的3倍那么电池尺寸必须增大1倍以获得与利用80%容量情况下一样多的可用容量。但这会使电池系统的重量和体积增大1倍从而提高成本并降低效率。汽车制造商一般要求电池寿命超过10年且对必需的可用电池容量做了规定。电池系统设计工程师面临的挑战是必须竭尽所能用最小的电池组实现最大的容量。为达到这个目标电池系统必须采用精密的电子电路仔细控制和监视电池。电动汽车电池组系统电动汽车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有96个电池充电到4.2V的锂离子电池而言这样的电池组可产生超过400V的总电压。尽管汽车电源系统将电池组看作单个高压电池每次都对整个电池组进行充电和放电但电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池那么经过多个充电/放电周期后其充电状态将逐渐偏离其它电池。如果这个电池的充电状态没有周期性地与其它电池平衡那么它最终将进入深度放电状态从而导致损坏并最终形成电池组故障。为防止这种情况发生每个电池的电压都必须监视以确定充电状态。此外必须有一个装置让电池单独充电或放电以平衡这些电池的充电状态。电池组监视系统的一个重要考虑因素是通信接口。就PC板内的通信而言常用的选项包括串行外设接口(SPI)总线、I2C总线每种总线的通信开销都很低适用于低干扰环境。另一个选项是控制器局域网(CAN)总线这种总线在汽车应用中被广泛使用。CAN总线非常鲁棒具有误差检测和故障容限特性但是它的通信开销很大材料成本也很高。尽管从电池系统到汽车主CAN总线的连接是值得要的但在电池组内采用SPI或I2C通信是有优势的。凌力尔特公司(Linear)已经推出一款使电池系统设计工程师能够满足这些苛刻要求的器件。LTC6802是一个电池组监视器IC能测量多达12个叠置电池的电压。LTC6802还有内部开关使电池可以单独放电以便它们能与电池组中的其它电池进入平衡状态。为说明电池组架构考虑一个具有96个锂离子电池的系统。这将需要8个LTC6802来监视整个电池组其中每个器件工作在不同的电压。当采用4.2V锂离子电池时底端监视器件将跨接在12个电池上电位调节范围为0V至50.4V下一组电池的电压范围为50.4V到100.8V顺着电池组依此类推。这些器件之间在不同的电压上进行通信带来了难以克服的挑战。人们已经考虑过多种方法但由于汽车制造商优先考虑的重点不同每种方法都有优点和缺点。电池监视要求在电池监视系统架构之间作抉择时至少有5个需要平衡的主要要求。它们的相对重要性取决于最终客户的需求和期望。(1)准确性。为了利用可能的最大电池容量电池监视器需要准确。不过汽车是一种噪声系统在很大的频率范围内存在电磁干扰。任何的准确性降低都会对电池组寿命和性能造成有害影响。(2)可靠性。不管采用何种电源汽车制造商必须满足极高的可靠性标准。此外高能量容量以及有些电池技术潜在的不稳定本性是人们担心的主要安全问题。相对于严重的电池故障在保守性条件下执行关断操作的故障安全系统更加可取尽管它有可能使乘客不幸滞留。因此必须仔细监视和控制电池系统以在系统中确保对整个电池寿命期的全面控制。为最大限度减少假的和真的故障一个良好设计的电池组系统必须有鲁棒的通信最大限度减少故障模式以及故障检测。(3)可制造性。现代的汽车已包含大量采用复杂布线线束的电子产品。就汽车制造而言增加复杂的电子电路和配线以支持电动汽车/混合动力电动汽车电池系统会使复杂性更高。总的组件和连接数量必须尽量地少以满足严格的尺寸和重量限制并确保大批量生产是切实可行的。(4)成本。复杂的电子控制系统可能很昂贵最大限度减少如微控制器、接口控制器、电流隔离器和晶振等成本相对高昂的元件数量可大大降低系统的总成本。(5)功率。电池监视器本身也是电池的负载其较低的工作电流可提高系统效率较低的备用电流可在汽车熄火