钜大LARGE | 点击量：1219次 | 2021年08月26日
高压锂离子电池包管理系统解析
在雪佛兰Volt轿车的中心有一个复杂的电源组管理系统，用于确保给Volt传动系统供应电源的多单元锂离子电池包的安全性和可靠性。
这个管理系统内的电池监视板使用了两个关键的子系统来可靠地监视电池健康状况，并向主解决器供应数字结果，然后由主解决器协调系统的整体操作。将这两个子系统分开来可以看到一个信号接口，它能确保高压电池测试电路和板载通信器件之间有良好的隔离。
在这份拆解报告中，我们回顾了与汽车使用中的高压锂离子电池包管理有关的挑战，并讨论了雪佛兰Volt电池包管理系统的总体架构要怎么样能满足这些挑战要求。特别是，我们讨论了锂离子电池监视方面的要求，重点放在电池监视子系统、数字通信子系统和隔离接口中使用的架构和元件。我们还具体审视了为这个设计选用的部件，包括定制ASIC、飞思卡尔的S9S08DZ32、安华高的ACpL-M43T和英飞凌的TLE6250G。最后，我们讨论了这种针对任务关键型电池包管理提出的特定处理办法的优点，并对可以满足类似设计挑战的可能替代办法进行了权衡考虑。
为了供应汽车电池管理系统中隔离用途的更多信息，我们还供应了三个系列深度视频采访报道。
第1部分：解析汽车电池管理系统中隔离的用途；
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
第2部分：讨论为这些使用选择器件时的一些考虑因素；
第3部分：探讨雪佛兰Volt电池管理系统中隔离器件的使用
电动汽车挑战
雪佛兰Volt是第一批加工的电池动力电动汽车(EV)，仅靠电池可以行驶近40英里。当电池电量接近低位极限时，可以启动汽油发动机出现额外电能，进而将汽车行驶距离张大到几百英里。在Volt轿车的中心有一个锂离子电池包，长度为1.8米，重181公斤，可以出现16kWh的功率，足以启动驱动电机、给乘用设备供电，并给复杂的电池管理系统供电。这种管理系统的复杂性与飞行系统相当。
IbM高级副总裁RobertLeblanc指出，Volt软件内容有1000万行代码，超过了据说飞行美国DODF-35闪电2型联合飞机的750万行代码这个软件规模本身就超过了目前喷气式战役机代码规模的3倍，据美国政府问责办公室透露。虽然Leblanc可能选取了一个争议较少的系统进行比较，但Volt实在引发了很多有有关自身的争议。也许还没有其它汽车得到过像Volt这样的关注度。事实上，当Volt探测车辆在停放数周后进行的探测碰撞中发生起火，这个事件马上会引起政府机构的关注，并引发通用汽车的回购即便在实际碰撞事故之后没有发生与电池有关的起火问题，美国国家高速交通安全管理局表示。
最终Volt的成功依靠于公众的接受程度和它的功能。为了达到这个目的，在设计Volt时，通用汽车与IbM合作对Volt中的系统之系统性能进行了仿真。通过使用关键系统的具体模型，IbM软件不仅验证了行为，甚至出现了Volt系统中使用的软件代码的关键部分。由于确保最佳锂离子电池性能和寿命要复杂的算法，所以这种代码生成和系统建模的办法对确保Volt电池管理系统的性能而言至关紧要；事实上，优化这种电池的性能依然是业界、政府和学术界高度关注的研究课题。有关Volt来说，确保电池性能可以使最终的多板设计(图1)能够将多个嵌入式系统的工作整合成单一完整系统，进而满足对Volt锂离子电池包提出的行驶距离、安全性、性能和更长寿命的要求。
图1：雪佛兰Volt电池管理系统将所有功能划分为用多块pCb实现的多个子系统。这次拆解的重点是电池接口控制模块上图从右数第2栏中的红色、蓝色和绿色电路板。(UbMTechInsights供应)
锂离子电池特性
用于满足Volt性能、安全性和可靠性要求所需的复杂系统与锂离子电池的特性笔直相关。在锂离子电池放电时，锂在(典型的)石墨阳极中发生电离，锂离子进入电解液并穿过隔离膜到达阴极，进而出现电荷流动。充电过程与之相反，锂离子从阴极进入电解液并穿过隔离膜流回阳极。
这种化学过程的性能和可靠性取决于电池的温度和电压。在低温环境下，化学反应缓慢，因此会降低电池电压。随着温度的上升，反应速度会加快，直到锂离子电池成份开始分析。当温度高于100℃时，电解液开始分析并释放气体，在没有压力释放机制的电池内将造成压力的堆积。在足够高温度下，锂离子电池可能发生热失控，同时伴随着氧化物的分析和氧气的释放，继而进一步加速温度上升。
据此，使锂离子电池保持在最佳工作状态是Volt电池管理系统的一个关键要求。Volt工程师的问题是要确保可靠的数据收集和分解，以便正确地监视和控制汽车中的锂离子电池状态这个问题由于锂离子电池自身的特性而变得更加严重。
我们的锂离子电池技术有个特点，即在给定的温度和输出电流值条件下，锂离子电池能够在其容量范围的中段保持近似平坦的电压输出(图2)。虽然这个特性提高了锂离子电池作为一种能源的优点，但也使工程师试图使用简单的电池电压测量办法向用户供应保持电池电量或荷电状态(SOC)的手段变得复杂起来。有关Volt汽车司机来说，精确地SOC测量是准确估计汽车剩余可行驶里程的关键。事实上，在新兴的电动汽车市场中，里程焦虑是妨碍电动汽车普及和销量攀升的一个关键因素，因此精确描述SOC非常紧要。
图2：在给定温度和放电电流值条件下，像松下CGR18650CG这样的锂离子电池在放电范围的中间部分具有接近平坦的输出电压。这对能源来说是一种优点，但对要精确测量荷电状态(SOC)的工程师来说新增了设计复杂性。
此外，将SOC保持在特定范围内有关延长电池寿命而言也很紧要。电池的荷电状态太低或太高都将比保持在中间值更快地发生性能劣化，而中间这个特定范围一般是依据相关相关经验得到的。倘若准许完全放电，锂离子电池成分性能将开始恶化，并导致永久损坏。倘若准许将锂离子电池充电到推荐的上限电压之上，电池可能会发生过热，或造成结构的永久变形。
在Volt中，通用汽车公司工程师建立了58%至65%的安全SOC窗口，并且可以依据驾驶模式进行调整。在正常驾驶模式下可以将下限设置为30%SOC，在山地驾驶模式下，可以将下限设为更高的45%，以确保有足够的电量上坡，延长行驶时间。当Volt达到适宜的SOC下限时，汽车的汽油发动机将被启动，从而延长行驶距离。
估计荷电状态
由于对锂离子电池的荷电状态(SOC)测量不是很可靠，工程师只能进行SOC估计，一般采用基于电流或基于电压的办法进行。
基于电流的办法可以供应最精确的结果。这样的办法会跟踪荷电的变化，实质上是计算充电过程中新增到电池的库仑数或在放电周期中减去的库仑数，然后判断相有关满充状态电池的SOC。然而，自放电损失或电池本身的低效有可能使库仑计数办法出现错误。另外，因为继续监视对许多使用来说不切实际，因此库仑计数法要使用采样办法。在汽车使用中，这种办法非得足够快，并能自动跟踪与加速有关的快速放电以及与再生制动有关的快速充电。
基于电压的办法将电池的瞬态电压输出作为进一步计算的基础来估算SOC，它考虑了电池温度、老化、电流输出和放电速率等变化因素。当与单节锂离子电池在多种工作条件下的精确表征数据一起使用时，电压法可以供应精确的SOC估计结果。有关像Volt这样的产品化汽车来说，维护过程要精确的电池表征，并要供应特定的工具和程序，使电池管理系统能学习新电池模块的容量或在必要时重新学习电池容量。
锂离子电池的化学物质
锂离子电池组含多种化学物质，每一种在能量密度、效率、耐用性和标称电池电压方面具有不同的特性。LGChem公司为Volt制造的电池使用了本公司的锰尖晶石阴极锂离子化学物质以及专有的安全增强型隔离膜陶瓷涂覆的半透膜。从整个行业看，锂离子电池被制造成多种形式，包括大家熟悉的圆柱体；移动电话中使用的扁平封装；硬塑棱形封装。用于Volt的LGChem原装电池使用棱形封装。
正如UbMTechInsights和MunroAssociates的分解师描述的那样，整个雪佛兰Volt电池包由288节棱形锂离子电池包成，这288节电池又被封装成96个电池单元组，最终供应分解师测量到的386.6V直流系统电压。这些电池单元组还要与温度传感器和冷却单元组合在一起形成4个主电池模块。连接每个电池包的电压测试线端接于每个电池模块顶部的连接器，再由电压测试线束将连接器连接到位于每个电池模块顶部的电池接口模块。这里有4种颜色编码的电池接口模块，它们工作在电池包的不同位置，对应4个模块组的直流电压偏移的低压、中压和高压范围。
来自电池接口模块的数据向上传送到电池能量控制模块。这个控制模块再将故障条件、状态和诊断信息传送给混合传动控制模块，后者作为主控制器完成整车级的诊断。在任何时候，整个系统每隔0.1秒都会运行500次以上诊断。其中85%的诊断紧要聚集于电池包的安全性，剩下的诊断用于电池性能和寿命。
多层电路板
对电池性能的后续分解开始于对电池接口控制模块的重点拆解(图3)。这个模块用了一块4层pCb板，其中大部分元件安装在顶层，还有橙色的电池连接器和黑色的数据通信连接器。最上层有一个地平面和一些信号走线，有些走线通过多个过孔连接到下面的层。在第2层中，在pCb的高压区下方铺有电源和地平面。第3层蕴含在这些区域下方通过的信号走线。pCb的另一面即第4层用于地平面和信号走线，并蕴含少许辅助元件。
图3：雪佛兰Volt中有4块电池接口控制模块pCb，每块pCb整合了多个测试电路和CAN通信电路，并通过位于通信子系统边缘的光耦加以隔离。(UbMTechInsights公司供应)
黑色的ATLpb-21-2AKpCb安装型连接器承载有5V基准、低压基准、信号地、CAN总线高速串行数据、CAN总线低速串行数据以及高压故障信号。橙色电池连接器承载了电池模块温度信号、低压基准以及来自电池单元组的电压测试线。
测试子系统
电池接口控制系统的核心是一个复杂的测试子系统一个完整的嵌入式系统电路，负责监视每个锂离子电池包的输出电压和电池包的温度。电池电压经过电池连接器到达L9763，一块由意法微电子和LGChem联合开发的ASIC。
L9763ASIC可以监视多达10个独立的锂离子电池包，可以通过片上电流测试放大器进行电池－负载－电流的监视，并通过片上的模拟复用器和采样保持电路完成电池电压的监视(图4)。这个器件的差分输入可以在大偏移电压条件下确保毫伏精度的测量，详尽取决于电池单元在电池包中的位置。另外，pCb设计师可以联合使用走线版图技术、隔离技术和前面提到的地平面，以确保这种极具挑战的环境中信号的完整性。
图4：L9763ASIC蕴含有用于测量Volt电池包的电压和电流以及通过无源电阻电池平衡技术平衡这些电池中电量的片上电路。(意法微电子公司供应)
依据这些测量结果，L9763的片上电路会将个别电池包切换到外部电阻网络，以便有选择性地给电池放电，从而减小由于大的电压差异引起的应力。这种简单的无源技术为电池平衡供应了简单、低成本的处理办法，但损失了效率，因为能量变成了放电电阻上的热量而损失掉了(图5)。替代性的电池平衡技术是使用有源办法，将最高电压电池的电量存储起来，并重新分配给最低的电池。这种技术要在每节电池之间顺序切换，并使用电容、电感或变压器来储存或重新分配电量。虽然有源办法与无源办法相比具有节省能量的优点，但新增了系统成本和复杂性。
图5：无源电池平衡技术(左)将高电压电池切换到放电电阻；有源电池平衡技术可以依次累积电量到电容上(右)或电感上，或者使用变压器将电量分配给低电压电池。(意法微电子供应)。
为了给多单元锂离子电池包充电或放电，设计一般使用恒流或恒压办法，此时充电系统将使用一对MOSFET在达到想要的充电电压时降低充电电流，或在放电操作中新增电流。L9763供应充电泵驱动功率MOSFET器件。L9763会将所监视的锂离子电池的测量数据通过SpI接口传送给飞思卡尔的S9S08DZ32MCU。L9763还向MCU供应5VLDO输出。针对总的电池管理功能，各个L9763器件是通过片上接口链接的，并由主控制单元通过垂直菊花链通信进行单独寻址。
测试电路MCU
如上所述，锂离子电池的SOC估计是一项复杂的任务，要足够强大的解决能力。在这个设计中，每个测试子系统都有一个L9763ASIC和一个飞思卡尔的S9S08DZ3240-MHzHCS08MCU，该MCU集成有32kb闪存、2kbRAM和1kbE2pROM。外部4MHz振荡器为MCU时钟工作供应参考频率。
在通用汽车－LGChem设计中，MCU要执行依据L9763供应的电压和电流测量数据估计SOC所需的运算。虽然SOC算法是专有算法，但硬件配置和维护程序提议这些估计算法能将使用存储的电池表征数据进行的电压驱动估计与在充电过程中用于临时重新校准的更笔直电量测量结合起来。由IbM描述的具体系统建模环境的使用供应了一个理想的平台，有助于为优化SOC计算找到适宜的数据集，也有助于在广泛采样的工作条件下对办法进行验证确认。
HCS08的安全功能，比如计算机工作正常看门狗按时器，有助于确保可靠的工作，并在发生不可恢复的使用软件故障时自动出现复位信号。在这种使用中特别紧要的是，S9S08DZ32内部有个复杂的片上CAN控制器，当不在使用时可以有选择性地断电或进入休眠模式(图6)。为了帮助确保可预测的实时性能，片上控制器集成了5个接收缓存并组成了一个FIFO缓冲器，还有3个发送缓存，准许区分输出消息的优先次序。
图6：片载CAN控制器是选用飞思卡尔S9S08DZ32MCU搭建电池接口控制模块测试子系统的关键因素。(飞兆半导体供应)
信号隔离
在雪佛兰Volt的系统之系统中，通信与控制是汽车工作的基础，而Volt供应了多个网络用于隔离和保护各个子系统。上述复杂算法要管理各个锂离子电池包，并监视特定电池接口控制模块上的每个测试子系统内的电池包。然而，最终总体电池管理要的关键数据蕴含在CAN总线信号接口和高压故障信号中。与此同时，系统安全性和可靠性取决于CAN总线网络与高压测试电路的安全隔离度。虽然隔离可以用各种办法和元件实现，但恶劣环境和多种安全法规使得光耦成为这类使用的首选处理办法。
下一代系统
雪佛兰Volt当然是在商用化市场中投入加工的最复杂分布式嵌入式系统使用之一，它的设计在多个范畴处于领先水平。在影响Volt成功和电动汽车市场普及的最紧要系统中，汽车的锂离子电池和相关的电池管理系统声明了汽车使用中软件和电路紧要性的提高。依据最近公布的McKinsey市场调查报告，到2025年，新兴锂离子技术完全可以把电池容量提高80%至110%，价格则随之下降，从而使电动汽车的总体拥有成本能够与内燃机驱动的传统汽车相抗争。对工程师来说，挑战依然表现为在面对更高的直流电压、电池容量、数据速率和消费者期待值的情况下要怎么样发掘新兴锂离子电池系统的全部潜能。
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