混合动力电动汽车的电池管理架构研究分析

1、混合动力电动汽车的电池管理架构研究分析用于(ev)和混合动力电动汽车(hev)的电池技术已经获得了显著长进，不但电池能量密度已稳步提高，而且电池还能牢靠地充电和放电数千次。假如设计工程师能有效利用这些技术长进，那么就成本、牢靠性和寿命而言，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快速缩短电池寿命，因此应当认真管理电池以避开彻低充电或彻低放电状态。与工作在30%"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

2、定容量)可以将电池的充电循环总次数削减到本来的1/3或更低。在有效电池容量和电池寿命之间举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%容量的状况。假如系统将电池为限制为仅用法其40%容量，以便使电池寿命延伸到本来的3倍，那么电池尺寸必需增大1倍以获得与利用80%容量状况下一样多的可用容量。但这会使电池系统的分量和体积增大1倍，从而提高成本并降低效率。汽车创造商普通要求电池寿命超过10年，且对必须的可用电池容量做了规定。电池系统设计工程师濒临的挑战是必需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，电池系统必需采纳精密的认真控制和监视电池。电动汽车电池组

3、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。尽管汽车电源系统将电池组看作单个高压电池，每次都对囫囵电池组举行充电和放电，但电池控制系统必需自立考虑每个电池的状况。假如电池组中的一个电池容量略微低于其他电池，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。假如这个电池的充电状态没有周期性地与其它电池平衡，那么它终于将进入深度放电状态，从而导致损坏，并终于形成电池组故障。为防止这种状况发生，每个电池的电压都必需监视，以确定充电状态。此外，必需有一个装置让电池单独充电或放电，以平衡这些电池

4、的充电状态。图1：并行自立can模块。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)、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用法。十分鲁棒，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总线的衔接是值得要的，但在电池组内采纳spi或i2c通信是有优势的。图2：具can网关的并行模块。公司()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

5、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。为解释电池组架构，考虑一个具有96个锂离子电池的系统。这将需要8个ltc6802来监视囫囵电池组，其中每个器件工作在不同的电压。当采纳4.2v锂离子电池时，底端监视器件将跨接在12个电池上,电位调整范围为0"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举行通信带来了难以克服的挑战。人们已经考虑过多种办法，但因为汽车创造商优先考虑的重点不同，每种办法都有优点和缺点。表：电池监视架构比较。电池监视要求在电池监视系统架构之间作抉

6、择时，起码有5个需要平衡的主要要求。它们的相对重要性取决于终于客户的需求和期望。1. 精确性。为了利用可能的最大电池容量，电池监视器需要精确。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。任何的精确性降低都会对电池组寿命和性能造成有害影响。2. 牢靠性。不管采纳何种电源，汽车创造商必需满足极高的牢靠性标准。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不安的主要平安问题。相对于严峻的电池故障，在保守性条件下执行关断操作的故障平安系统越发可取，尽管它有可能使乘客不幸滞留。因此，必需认真监视和控制电池系统，以在系统中确保对囫囵电池寿命期的全面控制。为最大限度削减假的和真的故障，

7、一个良好设计的电池组系统必需有鲁棒的通信，最大限度削减故障模式以及故障检测。3. 可创造性。现代的汽车已包含大量采纳复杂布线线束的电子产品。就汽车创造而言，增强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。总的组件和衔接数量必需尽量地少以满足 严格的尺寸和分量限制，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，最大限度削减如微控制器、接口控制器、隔离器和晶振等成本相对昂扬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。电池监视架构图1

8、至图4给出了4种电池监视系统架构。假设一个由96个电池组成的系统以12个电池为一组分成8组，表中对这种状况下的每种架构的优点和缺点举行了总结。在每种状况下，一个ltc6802监视一个由12个电池组成的电池组。每种架构都设计为一个自主的电池监视系统，都提供到汽车主can总线的can总线接口，且与汽车的其余部分是电流隔离的。1并行自立can模块(1)每个由12个电池组成的模块都含有一个电路板，板上有ltc6802、微控制器、can接口和电流隔离。系统所需的大量电池监视数据会使汽车的主 can总线崩溃，因此这些can模块需要在局域can子网上。can子网由主控制器协调，该控制器还提供至汽车主can总

9、线的网关。2具can网关的并行模块(2)每个由12个电池组成的模块都含有一个电路板，板上有ltc6802和数字隔离器。这些模块与控制器电路板有自立的接口衔接，控制器电路板上含有微控制器、can接口和电流隔离变压器。微控制器协调这些模块并提供到汽车主can总线的网关。3具can网关的单个监视模块(图3)在这种配置中，由12个电池组成的模块内部没有监视和控制电路，而是在单个电路板上有8个ltc6802监视器ic，每个ic都衔接到其电池模块。 ltc6802器件通过非隔离spi兼容串行接口通信。单个微控制器通过spi兼容串行接口控制所有电池组监视器，并充当到汽车主can总线的网关。这些再加上can和

10、电流隔离变压器就形成了完整的电池监视系统。图3：具can网关的单个监视模块。4具can网关的串行模块(图4)这种架构类似于单个监视模块，除了每个ltc6802都在由12个电池组成的模块内部的电路板上。这8个模块通过ltc6802非隔离spi兼容串行接口通信，这需要在电池模块对之间衔接3或4个传导电缆。单个微控制器通过底部监视器ic控制所有电池组监视器，同时兼作到汽车主can总线的网关。这里仍然需要can收发器和电流隔离变压器以形成完整的电池监视系统。图4：具can网关的串行模块电池监视架构挑选因为并行接口需要大量衔接和外部隔离，第1种和第2种架构普通易产生问题。为应对复杂性提高的问题，设计工程师需要实现到每个监视器器件的自立通信。第3 种和第4种架构都是限制最少的简化办法。ltc6802可满足全部这4种配置的需求，系统设计工程师可以挑选ltc6802的两个版本，一个用于串行配置，一个用于并行配置。ltc6802-1用于叠置式spi接口配置。多个ltc6802-1器件可以通过一个接口串行衔接，该接口无需外部电平移位器或隔离器就可沿