混合动力电动汽车的电池管理解析

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%~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。

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。

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。

图1：并行独立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)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。

图2：具CAN网关的并行模块。

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。

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