淺析電動(dòng)汽車48V電源總線電池故障

電動(dòng)汽車（e-mobility）的增長(zhǎng)越來越快，這要?dú)w功于汽車，公共汽車，貨運(yùn)卡車和帶有電動(dòng)汽車的踏板車的雪崩。這也導(dǎo)致了采用創(chuàng)新解決方案的電動(dòng)汽車電池和動(dòng)力總成制造技術(shù)的飛速發(fā)展。這些都提高了效率并降低了運(yùn)營(yíng)成本。逐步過渡到車輛的48V電源總線和引入高壓電池需要采用適當(dāng)?shù)臒峁芾砑夹g(shù)。對(duì)最關(guān)鍵部件（例如電池和充電系統(tǒng)）的溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)視和控制，可提高車輛的可靠性，擴(kuò)大行駛里程，提高駕駛舒適性并減少充電時(shí)間。

電動(dòng)汽車的熱管理比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車更復(fù)雜。電動(dòng)機(jī)必須不斷冷卻，而電池必須根據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行冷卻或加熱。此外，與傳統(tǒng)車輛不同的是，沒有立即可用的浪費(fèi)熱量來加熱車廂。因此，有必要提供適當(dāng)?shù)墓?jié)能措施，例如熱泵。為了使電動(dòng)機(jī)和電池保持在適當(dāng)?shù)臏囟?，必要的冷卻回路可以靈活地用于在車內(nèi)散發(fā)熱量。

當(dāng)冷卻回路吸收熱量時(shí)，其溫度升高，需要存在熱交換器，液體或氣態(tài)制冷劑在該熱交換器中循環(huán)。制冷劑必須具有高的熱容量，以便在相同的占用空間內(nèi)吸收盡可能多的熱量。通過制冷劑蒸發(fā)過程（從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)），可以將電池冷卻到甚至低于環(huán)境溫度的溫度。冷凝期間產(chǎn)生的熱量（從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)）可以替代地用于在寒冷時(shí)期加熱乘客艙。高效的熱管理解決方案可實(shí)現(xiàn)更大的自主權(quán)，滿足當(dāng)前和將來對(duì)電動(dòng)汽車的需求。

電動(dòng)汽車電池監(jiān)控

安裝在電動(dòng)汽車上的電池組由數(shù)個(gè)串聯(lián)和并聯(lián)連接的電池模塊組成。電池模塊管理所需的電子電路稱為BMS（電池管理系統(tǒng)）。一個(gè)BMS包括一個(gè)或多個(gè)電源轉(zhuǎn)換級(jí)和一個(gè)基于微控制器的嵌入式系統(tǒng)，用于處理與電源子系統(tǒng)有關(guān)的所有方面。在EV電池充電或放電過程中，必須監(jiān)視屬于電池組的每個(gè)電池單元的狀態(tài)。

EV電池可在很小的體積內(nèi)聚集大量能量。如果不加以管理，則過壓或欠壓情況可能會(huì)導(dǎo)致熱失控，進(jìn)而損壞電池。為此，引入了一種稱為BMIC（電池監(jiān)視集成電路）的特殊電路，以監(jiān)視每個(gè)電池的電壓和溫度。此信息將發(fā)送到電池管理控制器（CMC），并根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜性發(fā)送到更高級(jí)別的電池管理控制器（BMC）。

BMC匯總有關(guān)CMC監(jiān)視的電池電壓的信息，以計(jì)算電池的當(dāng)前充電狀態(tài)（SOC）。SOC是評(píng)估電池剩余電量的基本參數(shù)，從而確定何時(shí)需要新的充電。另一個(gè)參數(shù)是健康狀態(tài)（SOH），它提供了重要信息，可以從中得出剩余電池壽命。熱失控尤其具有欺騙性，這些失控是由不同類型的故障觸發(fā)的，包括過快地執(zhí)行充電或放電過程。為了避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，BMS，CMC和BMC之間的通信必須以盡可能小的延遲進(jìn)行。

商業(yè)解決方案

存在用于監(jiān)視電動(dòng)車輛電池性能的解決方案，該解決方案可從諸如STMicroelectronics，Analog Devices和NXP的公司組織購(gòu)得。

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）提供廣泛的電動(dòng)汽車電池監(jiān)視解決方案組合，可在48V和高壓電池組中提供高精度測(cè)量。圖1顯示了典型BMS體系結(jié)構(gòu)的框圖，其中幾個(gè)電池管理IC用于檢測(cè)每個(gè)電池組電池的電壓，電流和溫度。適用于EV電池管理的AEC-Q100合格IC的一個(gè)例子是L9963，這是一種用于高可靠性汽車應(yīng)用和儲(chǔ)能系統(tǒng)的鋰離子電池監(jiān)視和保護(hù)芯片。可以監(jiān)視多達(dá)14個(gè)堆疊的電池，以滿足48 V和更高電壓系統(tǒng)的要求。該信息可以通過SPI通信或隔離接口進(jìn)行傳輸。多個(gè)L9963可以菊花鏈形式連接，并通過變壓器隔離的接口與一個(gè)主機(jī)處理器通信，具有高速，低EMI，長(zhǎng)距離和可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。

圖1：電池管理系統(tǒng)框圖

ADI公司提供了廣泛的電池管理系統(tǒng)設(shè)備組合，可靈活支持幾乎所有的EV電池系統(tǒng)架構(gòu)。的LTC6810（圖2），例如，措施多達(dá)6串聯(lián)連接的電池單元具有小于1.8mV總測(cè)量誤差。LTC6810的電池測(cè)量范圍為0V至5V，使其適用于大多數(shù)電池架構(gòu)?？梢源?lián)連接多個(gè)設(shè)備，從而可以同時(shí)監(jiān)視長(zhǎng)的高壓電池組的電池。每個(gè)LTC6810都有一個(gè)isoSPI接口，用于高速，抗射頻干擾的長(zhǎng)距離通信。

圖2：LTC6810框圖

恩智浦為多種汽車應(yīng)用提供功能強(qiáng)大，安全且可擴(kuò)展的BMS IC。MC33771是一個(gè)例子，它是專為汽車應(yīng)用（例如HEV，EV，電動(dòng)自行車和電動(dòng)踏板車）設(shè)計(jì)的鋰離子電池單元控制器IC。該器件具有差分電池電壓和電流的ADC轉(zhuǎn)換以及庫(kù)侖計(jì)數(shù)和溫度測(cè)量功能。它還支持標(biāo)準(zhǔn)SPI和與變壓器隔離的菊花鏈與MCU的通信，以進(jìn)行處理和控制。

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