电动汽车中的数字电源控制和电池管理策略

正如亨利•福特于1923年所谈到的，“即使节省几磅的汽车重量……也意味着它们能开得更快，并且消耗更少的燃料。”这个永恒真理正是锂离子电池化学行业引领世界向下一代插电式电动汽车发展的理由。

不过，笔记本电脑锂离子电池爆炸案在我们的记忆中仍十分清晰，当考虑到电动汽车电池更大的总能量时，这种印象更是被进一步放大。这方面的顾虑及其它因素促进了高度智能的电池管理系统(BMS)的发展。这种电池管理系统要与大功率电池充电系统通信，以满足诸如安全、成本、电池寿命、汽车行程和整夜充电等要求，这是为了达到更低的碳排放和更高的燃油经济性要做出的让步。

随着汽车制造厂商对下一代电池管理和充电系统要求的确定，半导体公司正在推进预期能够满足这些要求的产品开发进程。本文将讨论与插电式混合动力汽车(pHEV)中的大功率(>3kW)、离线式电池充电器开发相关的设计要求、架构及挑战，并举例说明为何要为这类应用创建数字电源架构。

电动汽车设计环境

电动交通工具泛指使用高压电池和电动机进行推进的车辆。与仅用内燃机(ICE)供应动力的汽车相比，这种技术的优势在于，电动机在出现扭矩(特别是在加速过程中)时要比ICE高效得多。另外，电动汽车可以在刹车时回收动能，而其它类汽车只能以热量的形式损耗掉。

混合动力汽车(HEV)与新兴的pHEV汽车不同，它们使用较低容量的电池和电动机辅助重要ICE加速。这种混合扭矩加上再生制动能力可进一步改善燃油利用率，并减少碳排放。

不过，减少排放还不能完全满足针对汽车零排放的最新法律要求。因此，作为新兴汽车pHEV的动力完全来自于清洁电网能量。

所谓的串联电动汽车与并联HEV不同，不是从两种来源混合扭矩。所有推进扭矩来自更大的电动机，一般大于80kW。在某些情况下，会新增一个小型的、性能经过优化的续驶里程ICE，用于解决纯电动汽车电池的里程限制问题。ICE用作发电机给电动机供电，并给电池充电。不管是在pHEV还是HEV中，新增高压电池和电动机从根本上改变了汽车的电气、机械和安全系统。因此最终要复杂和高度智能的功率电子和电池管理系统。

电池设计挑战

在过去一百年左右的时间内，工程师已经使汽油推进系统变得十分完善。现在，OEM及其供应商改变过去的方式，开始组成联盟，突破常规，集中力量优化电动推进系统。

电动推进系统的高成本表现在产品开发和元件复杂度方面，要采用复杂和容错性的汽车智能和功率电子系统持续管理数十千瓦的功率。

在传统汽油动力汽车中，测量油量是一个简单任务。根据具体的汽车，油量表可能只是由连接到一个发送部件的加热线圈所驱动的双金属条。而在电动汽车中，“油箱”是由串联/并联的许多电池单元(可能100节或以上)组成的高压电池。对电荷状态(SOC)的精确判断要求对每节电池进行精确的电压测量(在几个毫伏内)。

这是电池管理系统的工作。BMS是一个高精度的系统，用于向中央处理器报告有关电池单元的电压、电流和温度等详细信息，然后由中央处理器负责计算电池的SOC。不能精确地测量电池不仅会误报电池SOC，还会缩短电池使用寿命，或出现不安全的、潜在性的灾情。

为了防止出现这种情况，业界开发出了满足ISO26262之类新兴标准的IC，它们通过硬件内置测试功能，以及为电池单元的过压/欠压监视等安全关键功能供应的N+1冗余保护，来确保系统可靠运作。假如电池组中的一节电池被迫进入深度放电状态，或被过度充电，这节电池可能永久性损坏，并可能出现热失控——自我破坏状态。因此，除了重要的电池监视系统外还要二级保护。

更先进的BMS能够同步电压和电流测量，并作为持续测量电池阻抗的一种方式。阻抗是电池健康状态(SOH)的一个重要指示。

图1：针对多电池数量应用的电池管理系统。

图1显示了足以用来测量电池SOC和SOH的典型电池单元配置和BMS。请注意，串联电池组中的任何一节电池单元都会限制整个电池组容量。换句话说，假如某节电池单元先于其它电池达到了最大或最小电压，充电或放电周期必须被中断。(图中用绿色标示的)单元平衡电路用于确保所有单元被均匀一致地充电和放电。

电池充电器基本原理

电动汽车充电器是根据输出功率/输入电压分类的。一类充电器通常集成在电路板上，输入的是95V至265V的交流电压，充电能力在1.5kW和3.3kW之间。专用的二类和三类充电器工作于240V/480V配线系统，能够以快得多的速率完成充电，但限于汽车电池和连接器约束范围内。例如，SAEJ1772是目前北美地区唯一获得批准的电动汽车连接器标准，功率限制为16.8kW以下。

与用于便携式电子设备的电池不同，汽车级电池可以适应大得多的充电电流，而不会影响电池寿命或接近热失控。充电器的额定值(C)被含义为流入电池的电流，正比于以安培－小时(Ah)为单位测量的电池容量。例如，一个1C充电器以1A的电流给1Ah电池充电。

尽管传统的锂离子电池可能限于1C，但一些汽车电池可以用远高于这个限值的电流充电，从而缩短再次充电时间。事实上，工作在480V/三相电压的大功率三类充电器，给电动汽车电池充电的时间与加满一箱油的时间相近。

请注意，电动汽车的电池容量一般是用千瓦时表示，将千瓦时额定值除以标称电池平坦电压，可松散关联到电池的安培小时额定值。例如，将一个24KWh的电池从10%充电到满充状态，日产LEAF电动汽车集成的一款3.3kW充电器要用8个小时。

另外要注意的是，电动汽车电池的放电深度影响电池单元寿命，因此这种电池在充电周期开始时通常要保留至少10%的电池容量。

充电器的架构设计

板载充电器必须符合严格的电磁兼容性、功率因数和UL/IEC安全标准方面的工业和政府法规要求。与所有其它的锂化学工业相同，电动汽车推进电池充电器采用恒流、恒压(CC/CV)充电算法，电池先被可编程的电流源充电，直到它达到电压设置点，然后转入稳压阶段，同时监视电池电流作为充电周期完成的指示。

充电电流(功率)由BMS、混合控制模块(HCM)和电动汽车服务设备协商确定，具体取决于使用的输入电压、温度和电池SOC/SOH，以及受HCM监视的其它系统考虑因素。这种控制算法的安全性和容错性不能打任何折扣。

合适的电源架构涉及交错式功率因数校正(pFC)和随后的相移全桥电路，如图2所示。控制反馈参数由微控制器数字化。这个微控制器能够以数字方式关闭多个控制环路，并精确地调制高压MOSFET开关。集中和高度智能的控制机制可以应对模拟技术不易解决的许多问题。

图2：用于连接交错式pFC和移相桥的数字控制接口。

更先进的微控制器集成协处理器(控制律加速器（CLA）)和多个高分辨率脉宽调制器(pWM)，前者用于加速控制环路传输函数的运算，后者能够控制功率开关在150ps内。这种架构能够动态适应线路和负载的变化，记录系统操作参数数据，并实现前瞻性的无差错算法，同时通过一个地隔离的控制区域网络智能连接所有其它汽车子系统。

最近在数字电源方面的发展使得这种方法更加可行，更具成本效益及可扩展性，并且更适合电动汽车中的大功率多相位应用。

针对数字补偿和每种可能的电源拓扑的大型、可扩展的模块化软件库可以由有相关经验的软件设计师进行集成；另外还能获得与数字和模拟电源解决方法作比较的测试报告。例如，考虑图2所示的两相交错式pFC功能。pFC升压开关受到实现多模式pFC的pWM1控制，可以出现电池充电器的兼容电压。

从图3可以明显看出这种拓扑的适应性，其中的数字补偿和相位管理模块在软件控制下是可变的。采用数字技术还能使系统不易受噪声和温度的影响，同时智能同步电源级电路，使干扰最小并优化滤波器设计。

图3：大功率pFC方法的软件模块化编程。

图3阐明了升压pFC的完整代码模块性。类似的代码构造可以用零电压开关实现移相桥，从而使转换器开关损耗达到最小，同时提高效率。级联拓扑能够达到95%以上的充电器效率，并使系统故障容错性能最大化，系统成本降至最低。