面向未來(lái)的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)

盡管當(dāng)前電動(dòng)汽車（EV）和插電式混合動(dòng)力汽車（HEV）的生產(chǎn)蓬勃發(fā)展，但消費(fèi)者的實(shí)際興趣可能有些滯后。

根據(jù)一家汽車研究公司的最新調(diào)查結(jié)果顯示，對(duì)于尚未考慮拋棄傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)（ICE）車輛的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，對(duì)電動(dòng)汽車電池續(xù)航能力的擔(dān)憂，仍是阻礙其購(gòu)買電動(dòng)汽車的最重要因素。

電動(dòng)汽車駕駛員通常會(huì)遭受一種特有的困擾——日益普遍的“續(xù)航焦慮”。內(nèi)燃機(jī)車輛駕駛員就不會(huì)有這種焦慮，因?yàn)闊o(wú)論他們行駛到任何地方，都可以在附近找到加油站，并且加滿油箱的過(guò)程一般不會(huì)超過(guò)幾分鐘。

許多人購(gòu)買電動(dòng)汽車純粹是為了工作通勤。每周五到六天在家和辦公室之間往返，這很大程度上可以消除電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的不確定性；車輛可在家里過(guò)夜充電，或者在工作場(chǎng)所附近的快速充電站充電，又或者在工作場(chǎng)所的停車場(chǎng)充電。

然而，只要一想到周末的鄉(xiāng)間公路旅行，續(xù)航焦慮就又回來(lái)了。為了解決這一問(wèn)題，半導(dǎo)體技術(shù)正在不斷創(chuàng)新，為實(shí)現(xiàn)更快的充電速度和更高的電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程鋪平道路。

電動(dòng)汽車系統(tǒng)概述

在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方面，電動(dòng)汽車采用了模塊化方法（如圖1所示）。通常，這些部件包括以下主要電路組件：

車載充電器（OBC）：車輛的鋰離子電池由OBC充電，后者又包括帶有功率因數(shù)校正（PFC）的AC-DC轉(zhuǎn)換器。

電池管理系統(tǒng)（BMS）：BMS負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)車輛各個(gè)電池的狀態(tài)，以確保實(shí)現(xiàn)最高的效率和安全性，防止過(guò)熱、過(guò)度充電或充電不足。

DC/DC轉(zhuǎn)換器：高壓電池通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器連接至內(nèi)部的12V直流網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部直流網(wǎng)絡(luò)為配件供電，并為本地開關(guān)轉(zhuǎn)換器提供偏置。

主逆變器：負(fù)責(zé)將高壓DC轉(zhuǎn)換成AC以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。它還用于再生制動(dòng)以及將未使用的能量返回電池。

圖1：典型的電動(dòng)汽車系統(tǒng)架構(gòu)示例。

電池管理系統(tǒng)和CAN總線

對(duì)電動(dòng)汽車電池來(lái)說(shuō)，它們可能會(huì)變得越來(lái)越強(qiáng)大，但是隨著在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中增加更復(fù)雜的電子設(shè)備以實(shí)現(xiàn)更有效的維護(hù)、充電和使用，對(duì)電池的要求也在逐步增加。這些系統(tǒng)需要精確測(cè)量重要的安全元素，例如電池組的電壓、電流和溫度。然而，這些測(cè)量是在高壓下進(jìn)行通信的，這會(huì)對(duì)收集和處理數(shù)據(jù)的敏感電子設(shè)備造成潛在的危險(xiǎn)。

例如，BMS通過(guò)車輛的車載中央計(jì)算機(jī)將電池狀態(tài)的基本實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給駕駛員。確保這種通信的準(zhǔn)確性和順暢運(yùn)行，對(duì)于消除駕駛員的續(xù)航焦慮是至關(guān)重要的一步。危險(xiǎn)在于高壓和開關(guān)噪聲，前者來(lái)自電池，未來(lái)幾年內(nèi)電池的容量可能會(huì)達(dá)到800V或更高，而后者則由與中央處理器通信的電池管理系統(tǒng)造成。

圖2：電池管理系統(tǒng)通信接口。

圖2中簡(jiǎn)化的BMS系統(tǒng)顯示了在與電動(dòng)汽車子系統(tǒng)之一連接時(shí)信號(hào)和電源隔離的重要性?，F(xiàn)代數(shù)字隔離需要在隔離器的兩側(cè)都有電源，并且其還可用于為連接到隔離器的其他器件（如CAN總線收發(fā)器）供電。高壓域在電池組一側(cè)，低壓域在CAN收發(fā)器一側(cè)。

雖然圖2中的示例著重于CAN總線接口，但在電池組和微控制器（MCU）之間可能還需要額外的隔離。用CAN收發(fā)器隔離各個(gè)子系統(tǒng)的最佳選擇，是使用集成DC-DC電源轉(zhuǎn)換的隔離解決方案，以避免整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜。

寬禁帶半導(dǎo)體的前景

新系統(tǒng)不可避免的引入，將增加半導(dǎo)體和其他電子元件的數(shù)量，從而增加對(duì)電池電力的需求。通常，這種額外的需求會(huì)增加系統(tǒng)的成本和重量，在電動(dòng)汽車市場(chǎng)中，重量越大意味著整體效率就越低。而且隨著總線電壓的升高，硅晶體管的成本也將隨之增加。

很明顯，諸如Si MOSFET、IGBT和超結(jié)等傳統(tǒng)的硅技術(shù)已經(jīng)不再適合電動(dòng)汽車。業(yè)界已經(jīng)開始采用最先進(jìn)的寬禁帶（WBG）技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），這兩種技術(shù)在電動(dòng)汽車中都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

與Si IGBT相比，SiC技術(shù)具有更高的工作溫度、更高的阻斷電壓和快得多的開關(guān)速度。在電動(dòng)汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部分，牽引逆變器會(huì)間歇性地將大能量包傳輸回電池，這將體現(xiàn)出SiC開關(guān)的最大優(yōu)勢(shì)。另一方面，GaN開關(guān)可以為從低功率系統(tǒng)到最高10kW系統(tǒng)（包括AC-DC OBC和DC-DC輔助電源模塊）的一系列其他電源系統(tǒng)提供優(yōu)勢(shì)。

然而，由于GaN和SiC使用了更高的開關(guān)速度，它們會(huì)產(chǎn)生大量的噪聲。因此，隨著汽車供應(yīng)商開始采用WBG功率晶體管來(lái)滿足不斷增長(zhǎng)的功率密度需求，基于半導(dǎo)體的隔離變得不再只是值得擁有，而是成為物料清單（BOM）中至關(guān)重要的項(xiàng)目。

實(shí)現(xiàn)更佳的性能

要想真正能和內(nèi)燃機(jī)車輛進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，電動(dòng)汽車電池管理和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)就必須做到小巧、輕便且耗電量少，同時(shí)還要能為電動(dòng)機(jī)提供高效的動(dòng)力。

要想獲得更廣泛的采用，不僅要消除人們對(duì)續(xù)航里程和成本的誤解，還要確保電動(dòng)汽車制造商在設(shè)計(jì)層面上盡可能使其電池管理系統(tǒng)具備未來(lái)適用性。

盡管面臨挑戰(zhàn)，但隨著汽車電氣化成本的下降和相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng)，我們將迎來(lái)一個(gè)新的突破性技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展階段，各個(gè)系統(tǒng)將變得更低溫、更快速、更小巧、更高效。屆時(shí)，我們將看到電動(dòng)汽車真正的能力。

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