HEV/EV電池管理系統(tǒng)簡介

(本文為德州儀器供稿，作者德州儀器Martin Moss)如圖所示，電動(dòng)汽車（EV）的基本傳動(dòng)系統(tǒng)由三個(gè)系統(tǒng)模塊組成。

電池組是由多個(gè)電池（通常是純電動(dòng)汽車中的鋰離子電池）組成的陣列，可產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百伏的電壓。電池組的電壓取決于電動(dòng)汽車的系統(tǒng)需求。

系統(tǒng)的第二個(gè)組成部分是逆變器。電動(dòng)汽車采用的交流牽引電機(jī)可在汽車完全停止?fàn)顟B(tài)提供加速度，而且非?？煽?。電池組的電壓為直流（DC），通過逆變器轉(zhuǎn)換成交流（AC）（通常為三相）。與電壓一樣，相數(shù)取決于系統(tǒng)需求和所用電機(jī)的類型，但通常為三相。

所用的電機(jī)通常為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，需使用交流電壓。此類電機(jī)常用于電動(dòng)汽車，因?yàn)樗鼈円子隍?qū)動(dòng)、性能可靠且具有成本效益。電機(jī)的外層組件是定子，上面纏繞著三個(gè)線圈。內(nèi)層通常是由銅條或鋁條構(gòu)成的轉(zhuǎn)子。

圖1：電動(dòng)汽車傳動(dòng)鏈的簡單流程 – 電池管理系統(tǒng)（BMS）到逆變器，然后到三相交流電機(jī)

本文將介紹與電池組和管理電荷狀態(tài)相關(guān)的注意事項(xiàng)。由于電池組由多個(gè)電池串聯(lián)而成，其有效使用性能基于最薄弱的單個(gè)電池。電池的電量存在差異是由于制造過程中的化學(xué)失衡，在電池組中的位置（熱量變化）以及使用或壽命相關(guān)的改變。

電池電壓之間的差異指示系統(tǒng)層面電池的失衡。造成這種差異的原因至今仍在研究之中。充分了解這一點(diǎn)是非常重要的，因?yàn)樗绊懼姵亟M在電力輸出方面的持續(xù)時(shí)間，以及每個(gè)單體電池的可用壽命和電池組的使用壽命。

需要考慮的最重要參數(shù)之一是電荷狀態(tài)。由于各個(gè)單體電池的電量不同，因此我們以百分比來反映電池之間的電量不平衡情況。如果一個(gè)電池的電荷狀態(tài)為94％，另一個(gè)電池的電荷狀態(tài)為88％，則兩者的電量存在6％的不平衡。此外，每個(gè)電池也有不同的電壓，稱為開路電壓（OCV），這是化學(xué)電荷狀態(tài)。

電池組面臨的挑戰(zhàn)是在汲取電流時(shí)，并非每個(gè)電池都會(huì)以相同的速率損失電量。因此，即使電池串聯(lián)連接，放電率也會(huì)以不同的速度發(fā)生。由于一些電池的吸收量低于其他電池，因此它們回收和吸收電量的能力將隨著時(shí)間而改變。其他條件（包括溫度）則會(huì)加速該循環(huán)。正如前文提到的那樣，一些電池單元可能會(huì)因其定位或位置靠近散熱元件而變得更熱。

電池故障的主要原因是電池完全崩潰，這將影響電池電壓，因?yàn)殡姵鼗旧现皇且粋€(gè)降低電壓的電阻。避免這種情況的一種方法是通過電池平衡，電池平衡是管理如何使每個(gè)單體電池充滿電的過程。有幾種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)電池平衡；最簡單的方法是在每個(gè)單體電池上并聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），通過監(jiān)視電壓的比較器監(jiān)測各單體電池的電壓，并使用簡單的算法開啟MOSFET為電池分流。這種方法的缺點(diǎn)是旁路能源浪費(fèi)。

另一種技術(shù)被稱為電荷轉(zhuǎn)移，它不使用電阻器，單體電池之間只連接一個(gè)電容器。這種技術(shù)不會(huì)造成旁路能源浪費(fèi)，但它更復(fù)雜，因?yàn)槟枰诟鼘捑嚯x上連接電池，而不是繞過每個(gè)單體電池。

電動(dòng)汽車中使用的技術(shù)通常是電感式充電，其中變壓器連接不平衡的單體電池，因?yàn)樗禽^高功率的系統(tǒng)。電路設(shè)計(jì)趨于大型，這需要設(shè)計(jì)包括更大的面積以適應(yīng)實(shí)施解決方案所需的電路數(shù)量。

所有這些平衡都基于對(duì)單電池特征和化學(xué)的廣泛研究，由使用MATLAB等工具運(yùn)行它們的電子表格和數(shù)學(xué)公式來表示。微處理器在系統(tǒng)中起到確保正確執(zhí)行所有平衡的重要作用。為了給微處理器供電，DC/DC轉(zhuǎn)換器直接連接到電池組，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供48V或12V輸出，為系統(tǒng)供電。TI有兩個(gè)可以為微處理器供電的設(shè)備；兩者都能夠承受苛刻條件下的瞬態(tài)特性以及寬電壓范圍。

LM5165-Q1是一款3V至65V，超低輸出同步降壓轉(zhuǎn)換器，可在寬輸入電壓和負(fù)載電流范圍內(nèi)提供高效率。該器件具有集成的高端和低端功率MOSFET，能夠以3.3V或5V的固定輸出電壓或可調(diào)輸出電壓的條件下，提供高達(dá)150mA的輸出電流。該轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)旨在簡化方案，同時(shí)優(yōu)化諸如電池管理系統(tǒng)等應(yīng)用性能。在工作溫度高達(dá)150°C 結(jié)溫（Tj）時(shí)，該器件可以承受電動(dòng)汽車中的高工作溫度范圍。

LM46000-Q1 SIMPLE SWITCHER?穩(wěn)壓器是一款同步降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠在3.5V至60V的輸入電壓范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)高達(dá)500mA的負(fù)載電流。當(dāng)您需要系統(tǒng)的高輸入電壓或更大電流時(shí)，LM46000-Q1以極小的解決方案尺寸，提供卓越的效率、輸出精度和壓降電壓。

有許多方法可以管理電池組中鋰離子電池的平衡，但設(shè)計(jì)外觀取決于許多因素，如成本、尺寸、熱特性及精度要求。在實(shí)現(xiàn)之前，需要將所有上述因素納入設(shè)計(jì)策略的考慮范圍。了解有關(guān)符合嚴(yán)格汽車和系統(tǒng)要求的TI產(chǎn)品的更多信息，并查看HEV高單體電池?cái)?shù)量電池組的系統(tǒng)框圖。