【導讀】電容器的一個關(guān)鍵參數(shù)是其介電吸收（DA）。如果想估算電容器的質(zhì)量或識別其電介質(zhì)類型，則只要測量出其 DA 即可。在選擇具有適當 DA 的電容器時，這種簡單的電路可以幫助避免耗時的標準過程。
電池組是包括電動車以及電動工具中最昂貴的部件，電池組的性能對電動汽車的整車使用壽命、使用壽命、充電時間等都有很大的影響，更不用說汽車的安全性和可靠性了。因此，電池管理需要持續(xù)研究和發(fā)展。
從車輛系統(tǒng)的角度來看，電池組的關(guān)鍵性能指標（KPI）包括直流連接電壓、能量密度、比功率和電池預期壽命等參數(shù)。到目前為止，鋰離子電池提供了良好的效果；然而，鋰離子化學給汽車電子設(shè)備的電池組“維護和供給”帶來了相當大的負擔。
鋰離子的使用要求電池管理單元（BMU）在共模電壓超過幾百伏的噪聲環(huán)境中精準測量。除了監(jiān)測電池的電壓和溫度外，BMU還必須執(zhí)行電池平衡和庫侖計數(shù)等關(guān)鍵功能，同時確保整個電池組在符合嚴格的ISO 26262功能安全要求的范圍內(nèi)工作。
為什么選擇鋰離子？
能量密度（W-h/l）和質(zhì)量功率比（Energy/kg）是電動汽車電池設(shè)計的兩個重要指標。這些性能指標由多個車輛級別的性能參數(shù)決定；最重要的是每次充電的續(xù)航里程。為了優(yōu)化每次充電的范圍，儲能必須緊湊輕便。
能量密度越高，車內(nèi)傳輸?shù)哪芰烤驮蕉?；再加上質(zhì)量功率比越大，有效載荷越輕，車輛續(xù)航里程就越大。除了影響車輛行駛里程外，電池組的緊湊性為其他關(guān)鍵的電動汽車系統(tǒng)留下了空間，如車載充電器和將電能轉(zhuǎn)化為運動的牽引驅(qū)動系統(tǒng)。
圖1這些圖表顯示了電池的不同化學特性。來源：STMicroelectronics
圖1比較了幾種常見的電池技術(shù)。目前，鋰離子是一個明確的選擇，它在當今汽車電氣化中的應(yīng)用非常普遍。盡管如此，鋰離子也有缺點。充電很麻煩，而且很難測量鋰離子電池的充電狀態(tài)。此外，包括復雜的熱管理系統(tǒng)，高昂的價格等都是鋰離子電池的缺陷。
鋰離子特性
圖2描述了典型鋰離子電池的充放電特性。一旦電池在充電或放電過程中達到飽和，電池電壓在大多數(shù)工作包絡(luò)電池內(nèi)幾乎保持恒定。平坦的放電曲線使其成為電動汽車最愛，因為電池在寬的工作范圍內(nèi)提供幾乎恒定的能量。
圖2典型鋰離子電池的充放電曲線。來源：STMicroelectronics
然而，這一特性和其他固有特性一起，給電池管理帶來了挑戰(zhàn)。更重要的是，電池特性在很大程度上決定了車輛的行駛范圍、電池的使用壽命、安全性以及車輛的可用性。例如，需要知道用戶在充電前可以走多遠。
陽極/陰極由不同的材料組成，這會影響電池的特性。例如，鋰離子電池的充電電壓為3.8伏至4.2伏，其容差約為±50毫伏，這取決于所用的陽極/陰極材料。當充電電流低于電池額定值的3%時，電池被視為完全充電。雖然提高充電電流不影響總充電時間，但它可以加快時間，達到約70%的容量。
事實上，為了延長使用壽命，鋰離子電池充電至低于100%的電量是可取的，因為鋰離子電池不能接受過度充電而不造成電池損壞和安全危險。因此，系統(tǒng)設(shè)計者必須權(quán)衡充電、電池使用壽命、安全性和充電時間等種種參數(shù)。
還有其他的挑戰(zhàn)和細微之處需要考慮。電池以陣列串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接，以增加電壓和容量，這使得管理過充電或欠充電的問題變得復雜。BMU實現(xiàn)“單元平衡”以確保堆棧中的所有單元處于相同的充電水平。
出于幾個原因，監(jiān)測電池溫度也很重要。充電過程中明顯的溫升表明存在故障。此外，鋰離子電池在寒冷的溫度下，例如在冰凍環(huán)境下充電不好。在這種情況下，BMU可以通過加熱給電池進行溫度補償。
最后，即使嚴格控制充電和放電，電池的容量也會隨著時間的推移而降低，因為它經(jīng)歷了多次充放電循環(huán)，需要進行補償。隨著電池組的老化和容量的減少，BMU可以擴大充放電窗口，使車輛在整個壽命期內(nèi)確保其有更好的行駛體驗。
電池單元管理
汽車電動汽車/混合動力電動汽車（HEV）蓄電池包含數(shù)百個串聯(lián)和并聯(lián)的鋰離子電池，從已經(jīng)討論過的挑戰(zhàn)中可以清楚地看出，只有正確地管理電池，才能保持安全和壽命優(yōu)化的運行，串聯(lián)中的每個電池單元都必須單獨診斷和平衡。
圖3該圖顯示了電池組監(jiān)控和電池平衡的信號路徑。來源：STMicroelectronics
如果目標是優(yōu)化車輛，則信號路徑必須提供估計充電狀態(tài)所需的精度（圖3）。具體來說，由于圖2所示的充電/放電曲線平坦，電池電壓和堆棧電流測量精度至關(guān)重要。此外，電池管理解決方案有時包括庫侖計數(shù)測量電流安培秒進出堆棧作為交叉檢查估計整個電池組的充電狀態(tài)。
由于測量和控制的復雜性，集成的多通道集成電路包括單元平衡以及電壓和溫度測量，是一種成本效益高且優(yōu)化的解決方案。這種監(jiān)控和平衡裝置的一個例子是來自ST的L9963芯片，它支持每個芯片多達14個單元，最多7個NTC溫度傳感器輸入。
圖4這些圖顯示了三種BMU架構(gòu)方法。來源：STMicroelectronics
如圖4所示，一個L9963芯片提供了14個單元管理單元（CMU）和模塊管理單元（MMU）功能所需的功能。電池監(jiān)測和保護芯片提供了一個高精度的電池電壓測量路徑，它同步電池電壓和電池組電流讀數(shù)，提供整個電池組充電狀態(tài)的指示。
一個或多個這樣的設(shè)備與一個合適的微控制器的組合來實現(xiàn)電池組管理單元（PMU）——提供了一個完整的電池組解決方案（圖5）。
圖5該框圖顯示了組成BMU解決方案的器件組合。來源：STMicroelectronics
對于每個連接的電池，CMU獲取電池電壓和溫度，并通過電流隔離接口將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街魈幚韱卧?。CMU直接影響整個電池的參數(shù)，它能夠更精確地確定電池電壓，從而可以更好地利用電池的可用容量，并且可以更精確地給出其他更高級別的應(yīng)用參數(shù)，例如電荷狀態(tài)。
為了實現(xiàn)電池之間的有效電荷平衡，可以采用被動平衡方法。切換負載與每個電池并聯(lián)放置，以便在充電階段，單個電池的充電水平可以保持恒定，或者在開關(guān)導通的情況下電流稍微降低。當帶有非導電“平衡旁路”的電池繼續(xù)提高其充電水平時，這將平衡整個電池組的電荷水平。
在這里，L9963電池保護芯片簡化了這種被動平衡，因為它提供了集成的平衡MOSFET的方式，只需要外部平衡負載。此外，該裝置提供了多種配置選項，以促進對平衡過程的自主和簡化控制。
然后，必須用電流將采集到的信息從車輛的高電壓總線傳輸?shù)皆\斷單元，并將其與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元進行適當?shù)母綦x。L9963芯片支持基于變壓器和電容器的耦合，以創(chuàng)建電隔離接口。
快速通信是關(guān)鍵，L9963允許高達2.66 Mbps的數(shù)據(jù)速率，這意味著對于一個完整的400V電池，更新間隔不到4毫秒。比如，電池組由96個電池單元和7個L9963設(shè)備串聯(lián)組成，每個單元管理14個單元的堆棧，所有L9963設(shè)備通過一個菊花鏈通信接口進行通信。
傳感器數(shù)據(jù)的采集、測量的完整性測試、采樣數(shù)據(jù)的傳輸以及對電池的永久監(jiān)控，對于車輛的運行和車輛的乘員來說都是安全關(guān)鍵。根據(jù)ISO 26262標準開發(fā)的符合ASIL D安全要求的適當電池管理裝置，L9963也設(shè)計了安全功能。
鋰離子電池的化學特性提供了卓越的功率密度和質(zhì)量功率比，這些特性是最大限度地擴大車輛每次充電里程的關(guān)鍵。本文強調(diào)了BMU的重要性，以確保電池達到預期的性能，并最大限度地延長電池的使用壽命，同時滿足安全要求。在組件級別，這意味著信號路徑必須在較寬的溫度范圍內(nèi)提供高精度，并且有適當?shù)目刂苼砉芾黼姵亍?/div>
圖6該框圖顯示了電動汽車能量傳輸和儲存系統(tǒng)的布局。來源：STMicroelectronics
不過，電池組和BMU只是與電動汽車相關(guān)的整體能量傳輸和存儲系統(tǒng)的一部分（圖6）。除了安裝在車主車庫的充電設(shè)備外，隨著電動汽車銷量的不斷增長，充電樁也變得越來越多。充電樁與車載充電器相連，該充電器將來自電網(wǎng)的輸入功率轉(zhuǎn)換為高壓直流電（HVDC）。有些充電器直接提供高壓直流電，可以在20到30分鐘內(nèi)將車輛充電到70%以上。
電動汽車（BEV）和混合動力汽車（HEV）如今已被市場所接受，通過使用適當?shù)碾姵爻潆娂夹g(shù)，消費者發(fā)現(xiàn)他們可以在不影響車輛性能和便利性的情況下實現(xiàn)綠色節(jié)能的生活。
本文作者：
JohnJohnson是ST美洲地區(qū)的汽車系統(tǒng)營銷經(jīng)理。
Markus Ekler是ST ASSP/ASIC部門高級技術(shù)營銷工程師。
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