电动汽车电源设计挑战:高压锂离子电池组管理系

图2：在给定温度和放电电流值条件下，像松下CGR18650CG这样的锂离子电池在放电范围的中间部分具有接近平坦的输出电压。这对能源来说是一种优势，但对需要精确测量荷电状态(SOC)的工程师来说增加了设计复杂性。(松下公司提供)

此外，将SOC保持在特定范围内对于延长电池寿命而言也很重要。电池的荷电状态太低或太高都将比保持在中间值更快地发生性能劣化，而中间这个特定范围一般是根据经验得到的。如果允许完全放电，锂离子电池成分性能将开始恶化，并导致永久损坏。如果允许将锂离子电池充电到推荐的上限电压之上，电池可能会发生过热，或造成结构的永久变形。

在Volt中，通用汽车公司工程师建立了58%至65%的安全SOC窗口，并且可以根据驾驶模式进行调整。在正常驾驶模式下可以将下限设置为30% SOC，在“山地驾驶”模式下，可以将下限设为更高的45%，以确保有足够的电量上坡，延长行驶时间。当Volt达到合适的SOC下限时，汽车的汽油发动机将被启动，从而延长行驶距离。
由于对锂离子电池的荷电状态(SOC)测量不是很可靠，工程师只能进行SOC估计，一般采用基于电流或基于电压的方法进行。

基于电流的方法可以提供最精确的结果。这样的方法会跟踪荷电的变化，实质上是计算充电过程中增加到电池的库仑数或在放电周期中减去的库仑数，然后判断相对于满充状态电池的SOC。然而，自放电损失或电池本身的低效有可能使“库仑计数”方法出现错误。另外，因为连续监视对许多应用来说不切实际，因此库仑计数法需要使用采样方法。在汽车应用中，这种方法必须足够快，并能自动跟踪与加速有关的快速放电以及与再生制动有关的快速充电。

基于电压的方法将电池的瞬态电压输出作为进一步计算的基础来估算SOC，它考虑了电池温度、老化、电流输出和放电速率等变化因素。当与单节锂离子电池在多种工作条件下的精确表征数据一起使用时，电压法可以提供精确的SOC估计结果。对于像Volt这样的产品化汽车来说，维护过程需要精确的电池表征，并需要提供特定的工具和程序，使电池管理系统能学习新电池模块的容量——或在必要时重新学习电池容量。

锂离子电池的化学物质

锂离子电池包含多种化学物质，每一种在能量密度、效率、耐用性和标称电池电压方面具有不同的特性。LG Chem公司为Volt制造的电池使用了本公司的锰尖晶石阴极锂离子化学物质以及专有的安全加强型隔离膜——陶瓷涂覆的半透膜。从整个行业看，锂离子电池被制造成多种形式，包括大家熟悉的圆柱体；移动电话中使用的扁平封装；硬塑棱形封装。用于Volt的LG Chem原装电池使用棱形封装。

正如UBM TechInsights和Munro Associates的分析师描述的那样，整个雪佛兰Volt电池组由288节棱形锂离子电池组成，这288节电池又被封装成96个电池单元组，最终提供分析师测量到的386.6V直流系统电压。这些电池单元组还要与温度传感器和冷却单元组合在一起形成4个主电池模块。连接每个电池组的电压检测线端于每个电池模块顶部的连接器，再由电压检测线束将连接器连接到位于每个电池模块顶部的电池接口模块。这里有4种颜色编码的电池接口模块，它们工作在电池组的不同位置，对应4个模块组的直流电压偏移的低压、中压和高压范围。

来自电池接口模块的数据向上传送到电池能量控制模块。这个控制模块再将故障条件、状态和诊断信息传送给混合传动控制模块，后者作为主控制器完成整车级的诊断。在任何时候，整个系统每隔0.1秒都会运行500次以上诊断。其中85%的诊断主要集中于电池组的安全性，剩下的诊断用于电池性能和寿命。

多层电路板

对电池性能的后续分析开始于对电池接口控制模块的重点拆解(图3)。这个模块用了一块4层PCB板，其中大部分元件安装在顶层，还有橙色的电池连接器和黑色的数据通信连接器。最上层有一个地平面和一些信号走线，有些走线通过多个过孔连接到下面的层。在第2层中，在PCB的高压区下方铺有电源和地平面。第3层包含在这些区域下方通过的信号走线。PCB的另一面即第4层用于地平面和信号走线，并包含少许辅助元件。

图3：雪佛兰Volt中有4块电池接口控制模块PCB，每块PCB整合了多个检测电路和CAN通信电路，并通过位于通信子系统边缘的光耦加以隔离。(UBM TechInsights公司提供)

黑色的ATLPB-21-2AK PCB安装型连接器承载有5V基准、低压基准、信号地、CAN总线高速串行数据、CAN总线低速串行数据以及高压故障信号。橙色电池连接器承载了电池模块温度信号、低压基准以及来自电池单元组的电压检测线。
电池接口控制系统的核心是一个复杂的检测子系统——一个完整的嵌入式系统电路，负责监视每个锂离子电池组的输出电压和电池组的温度。电池电压经过电池连接器到达L9763，一块由意法微电子和LG Chem联合开发的ASIC。

L9763 ASIC可以监视多达10个独立的锂离子电池组，可以通过片上电流检测放大器进行电池－负载－电流的监视，并通过片上的模拟复用器和采样保持电路完成电池电压的监视(图4)。这个器件的差分输入可以在大偏移电压条件下确保毫伏精度的测量，具体取决于电池单元在电池组中的位置。另外，PCB设计师可以联合使用走线版图技术、隔离技术和前面提到的地平面，以确保这种极具挑战的环境中信号的完整性。