电动汽车中的数字电源控制和电池管理策略

尽管传统的锂离子电池可能限于1C，但一些汽车电池可以用远高于这个限值的电流充电，从而缩短再次充电时间。事实上，工作在480V/三相电压的大功率三类充电器，给电动汽车电池充电的时间与加满一箱油的时间相近。

请注意，电动汽车的电池容量一般是用千瓦时表示，将千瓦时额定值除以标称电池平坦电压，可松散关联到电池的安培小时额定值。例如，将一个24 KWh的电池从10%充电到满充状态，日产LEAF电动汽车集成的一款3.3kW充电器需要用8个小时 。

另外需要注意的是，电动汽车电池的放电深度影响电池单元寿命，因此这种电池在充电周期开始时通常需要保留至少10%的电池容量。

充电器的架构设计

板载充电器必须符合严格的电磁兼容性、功率因数和UL/IEC安全标准方面的工业和政府法规要求。与所有其它的锂化学工业一样，电动汽车推进电池充电器采用恒流、恒压(CC/CV)充电算法，电池先被可编程的电流源充电，直到它达到电压设置点，然后转入稳压阶段，同时监视电池电流作为充电周期完成的指示。

充电电流(功率)由BMS、混合控制模块(HCM)和电动车服务设备协商确定，具体取决于使用的输入电压、温度和电池SOC/SOH，以及受HCM监视的其它系统考虑因素。这种控制算法的安全性和容错性不能打任何折扣。

合适的电源架构涉及交错式功率因数校正(PFC)和随后的相移全桥电路，如图2所示。控制反馈参数由微控制器数字化。这个微控制器能够以数字方式关闭多个控制环路，并精确地调制高压MOSFET开关。集中和高度智能的控制机制可以应对模拟技术不易解决的许多问题。

图2：用于连接交错式PFC和移相桥的数字控制接口。

更先进的微控制器集成协处理器(控制律加速器（CLA）)和多个高分辨率脉宽调制器(PWM)，前者用于加速控制环路传输函数的运算，后者能够控制功率开关在150ps内。这种架构能够动态适应线路和负载的变化，记录系统操作参数数据，并实现前瞻性的无差错算法，同时通过一个地隔离的控制区域网络智能连接所有其它汽车子系统。

最近在数字电源方面的发展使得这种方法更加可行，更具成本效益及可扩展性，并且更适合电动汽车中的大功率多相位应用。

针对数字补偿和每种可能的电源拓扑的大型、可扩展的模块化软件库可以由有经验的软件设计师进行集成；另外还能获得与数字和模拟电源解决方案作对比的测试报告。例如，考虑图2所示的两相交错式PFC功能。PFC升压开关受到实现多模式PFC的PWM1控制，可以产生电池充电器的兼容电压。

从图3可以明显看出这种拓扑的适应性，其中的数字补偿和相位管理模块在软件控制下是可变的。采用数字技术还能使系统不易受噪声和温度的影响，同时智能同步电源级电路，使干扰最小并优化滤波器设计。

图3：大功率PFC方法的软件模块化编程。

图3阐明了升压PFC的完整代码模块性。类似的代码构造可以用零电压开关实现移相桥，从而使转换器开关损耗达到最小，同时提高效率。级联拓扑能够达到95%以上的充电器效率，并使系统故障容错性能最大化，系统成本降至最低。