混合动力电动汽车的电池管理架构分析

hufei432

用于电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)的电池技术已经获得了显著进步，不但电池能量密度已稳步提高，而且电池还能可靠地充电和放电数千次。如果设计工程师能有效利用这些技术进步，那么就成本、可靠性和寿命而言，电动汽车和混合动力电动汽车就有潜力与传统汽车竞争。

一个电池规定的容量是指电池从100%充电状态到零充电状态所能提供的电量。充电到100%充电状态或放电到零充电状态会迅速缩短电池寿命，因此应该仔细管理电池以避免完全充电或完全放电状态。与工作在30%到70%的充电状态之间(利用40%的容量)相比，工作在10%充电状态到90%充电状态之间(利用80%的规定容量)可以将电池的充电循环总次数减少到原来的1/3或更低。


在有效电池容量和电池寿命之间进行平衡给电池系统设计工程师带来了挑战。考虑前文提到的利用40%容量与利用80%容量的情况。如果系统将电池为限制为仅使用其40%容量，以便使电池寿命延长到原来的3倍，那么电池尺寸必须增大1倍以获得与利用80%容量情况下一样多的可用容量。但这会使电池系统的重量和体积增大1倍，从而提高成本并降低效率。


汽车制造商一般要求电池寿命超过10年，且对必需的可用电池容量做了规定。电池系统设计工程师面临的挑战是必须竭尽所能用最小的电池组实现最大的容量。为达到这个目标，电池系统必须采用精密的电子电路仔细控制和监视电池。


电动汽车电池组系统


电动汽车电池组由多个电池串联叠置组成。一个典型的电池组大约有96个电池，充电到4.2V的锂离子电池而言，这样的电池组可产生超过400V的总电压。尽管汽车电源系统将电池组看作单个高压电池，每次都对整个电池组进行充电和放电，但电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。如果电池组中的一个电池容量稍微低于其他电池，那么经过多个充电/放电周期后，其充电状态将逐渐偏离其它电池。如果这个电池的充电状态没有周期性地与其它电池平衡，那么它最终将进入深度放电状态，从而导致损坏，并最终形成电池组故障。为防止这种情况发生，每个电池的电压都必须监视，以确定充电状态。此外，必须有一个装置让电池单独充电或放电，以平衡这些电池的充电状态。


电池组监视系统的一个重要考虑因素是通信接口。就PC板内的通信而言，常用的选项包括串行外设接口(SPI)总线、I2C总线，每种总线的通信开销都很低，适用于低干扰环境。另一个选项是控制器局域网(CAN)总线，这种总线在汽车应用中被广泛使用。CAN总线非常鲁棒，具有误差检测和故障容限特性，但是它的通信开销很大，材料成本也很高。尽管从电池系统到汽车主CAN总线的连接是值得要的，但在电池组内采用SPI或I2C通信是有优势的。


凌力尔特公司(Linear)已经推出一款使电池系统设计工程师能够满足这些苛刻要求的器件。LTC6802是一个电池组监视器IC，能测量多达12个叠置电池的电压。LTC6802还有内部开关，使电池可以单独放电，以便它们能与电池组中的其它电池进入平衡状态。


为说明电池组架构，考虑一个具有96个锂离子电池的系统。这将需要8个LTC6802来监视整个电池组，其中每个器件工作在不同的电压。当采用4.2V锂离子电池时，底端监视器件将跨接在12个电池上,电位调节范围为0V至50.4V，下一组电池的电压范围为50.4V到100.8V，顺着电池组依此类推。这些器件之间在不同的电压上进行通信带来了难以克服的挑战。人们已经考虑过多种方法，但由于汽车制造商优先考虑的重点不同，每种方法都有优点和缺点。


电池监视要求


在电池监视系统架构之间作抉择时，至少有5个需要平衡的主要要求。它们的相对重要性取决于最终客户的需求和期望。


(1)准确性。为了利用可能的最大电池容量，电池监视器需要准确。不过，汽车是一种噪声系统，在很大的频率范围内存在电磁干扰。任何的准确性降低都会对电池组寿命和性能造成有害影响。


(2)可靠性。不管采用何种电源，汽车制造商必须满足极高的可靠性标准。此外，高能量容量以及有些电池技术潜在的不稳定本性是人们担心的主要安全问题。相对于严重的电池故障，在保守性条件下执行关断操作的故障安全系统更加可取，尽管它有可能使乘客不幸滞留。因此，必须仔细监视和控制电池系统，以在系统中确保对整个电池寿命期的全面控制。为最大限度减少假的和真的故障，一个良好设计的电池组系统必须有鲁棒的通信，最大限度减少故障模式以及故障检测。

(3)可制造性。现代的汽车已包含大量采用复杂布线线束的电子产品。就汽车制造而言，增加复杂的电子电路和配线以支持电动汽车/混合动力电动汽车电池系统会使复杂性更高。总的组件和连接数量必须尽量地少以满足严格的尺寸和重量限制，并确保大批量生产是切实可行的。


(4)成本。复杂的电子控制系统可能很昂贵，最大限度减少如微控制器、接口控制器、电流隔离器和晶振等成本相对高昂的元件数量可大大降低系统的总成本。


(5)功率。电池监视器本身也是电池的负载，其较低的工作电流可提高系统效率，较低的备用电流可在汽车熄火后防止电池过度放电。

piratw

没太理解，有两个问题：
1、对于锂电而言，深度充放电的循环寿命和浅充放电的循环寿命并没有本质的差别；而且，以目前业内比较认可的1000Cycle80%剩余容量的循环寿命，其测试标准都是完全充放电的（即：3.0V-4.25V）。
2、目前主流的锂电解决方案以单体大容量，低电压的为主，以汽车使用需要，进行串联，那么，原则上，电池管理系统只需要对其单体进行监控即可。
其实，受限于锂电对环境温度的要求，电池管理系统中最重要的部分在我看来其实是温度的监控，如：电流输入输出点的温度，单体电池的问题，环境温度等。

basa

循环寿命一般就是指深度充放电条件下的
但是实际工作中，浅充放电会有利于电池的寿命，也就是ＳＯＣ在比较窄的范围。
电池寿命的问题并不是说多久之后电池就完全不能用了，只是其内阻值会比较大，影响了电池的效率。所以实际应用都提倡浅充放电，这样会减缓电池内阻的增加。
对于电池温度，重要的是除了输入输出点，还有模块的中间点，这是温度最容易升高的区域。
对于单体电池电压也许要监控，因为一旦单个电池的电压明显过低或者过高，会影响到整个模块的工作。

piratw

就这个温度，提个问题：在混合动力汽车长时间（1h以上）由电池提供能量供应的话，温度最大一般会上升多少？10度？15度？
谢谢！

basa

没做过试验，不能确切说出数据
但是实际的系统不可能长时间由电池供电，而且会有冷却系统来控制电池系统温度

chf_joy@126.com

回复 piratw 的帖子

1、如果过浅或过深放电会影响电池本身的寿命（即循环寿命），在BMS管理系统中，是不允许这样的；
2、BMS会时时监控单节电池的电压和温度，并根据电池包的电压情况计算电池的荷电状态（SOC），进行电池系统管理；

lalufo123

谢谢楼主分享，顶一下