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適用于混能及全電動汽車的電池管理系統(tǒng)

發(fā)布時間:2011-09-29 來源:電子技術應用

中心議題:
  • 討論適用于混能及全電動汽車的電池管理系統(tǒng)
  • 研究被動平衡解決方案及其相關問題
解決方案:
  • 采用優(yōu)化的隔離式電感拓撲結構
  • 確保各模塊內(nèi)及各模塊之間保持高度平衡

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鍵。”

被動平衡解決方案及其相關問題


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。熱量管理技術可以在電池平衡方面發(fā)揮關鍵作用,但引進這種技術會大幅增加成本。

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。
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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。
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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。基本上,這是一塊印制電路板,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構,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,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)揮關鍵的作用,但除此之外,模擬前端電路還可保證有關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。
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