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电池管理晶片如何影响电动车性能
电压与电流监控成重要关键

【作者: Stefano Zanella】2016年03月21日 星期一

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从4节串联(轻度混合动力汽车),到12-16节串联电池(中度混合动力汽车),直到96节串联电池(电动车和混合动力汽车),根据汽车技术规格的不同,会有一节或很多节并联电池。然而,从晶片的角度出发,串联电池的数量才是关键点,并联电池数量可根据需要随意确定。电池管理系统 (BMS) 是驾驶员、汽车和电池之间的重要枢纽。


BMS包含监控和保护电池的电子元件。我经常对这些电池管理电子元件的性能感到好奇,特别是电动车的电源管理晶片的性能到底是什么情形。实际上,正是优异的BMS电源管理晶片让我的汽车能够正常行驶,同时提升了车辆的性能。作为驾驶员,我急需知道电池的续航里程,以及汽车充电完成的时间。我还想知道,我的电池状态是不是良好。我也很乐意知道我的汽车可以快速加速。



图1
图1

电压与电流监控

续航里程是另外一个了解电池剩余电荷的方法,这一参数被称为电荷状态 (State of charge;SoC)。有手机的人都知道,电池的容量会随着时间的推移而逐渐下降。一个电池在一个指定时间点上能够保存的最大电荷量被称为健康状态( State of health,SoH)。计算SoH和SoC的方法有很多,而这些方法都会计算电池电压、电池温度和电池组电流。


某些锂离子化学电池,比如说磷酸锂铁电池,SoC相对于电池电压的曲线非常平缓。电池电压中的一个小误差就有可能导致SoC估算中的巨大误差。



图2 : 一个LiFEPO4电池的SoC曲线
图2 : 一个LiFEPO4电池的SoC曲线

监控需要测量电压、电流和温度。以TI(德州仪器)近期所推出的监控晶片为例,对于大约4.5V的电池电压,它在摄氏0°度至65度的温度范围内的准确度值为2mV,在-40°C至105 °C温度范围内的准确度值为4mV,在通常情况下,电池电压精确度在很大程度上取决于输入电压。请注意,我在这里讨论的是真正的准确度,这个准确度包括所有由回流焊和前几个热回圈所导致的偏移。有时候,资料表的技术规格会与你在电路板上看到的值大不相同。电动车的加速也与SoC密切相关,由于电池电压下降,所以电池能够产生的最大功率也下降了。任一SoC上的过多电流,特别是在处于低SoC时,都会加速电池的老化。


当我驾车时,我对汽车电池组内所具有的技术水准而感到高兴。

我也很乐意驾驶一辆具有更好、更精确电池管理IC的汽车驶向未来。

安全性议题

到目前为止,电池在汽车中的应用已经有150年的历史了,所以汽车厂商在这方面也提供不少帮助。他们是如何做到的呢?即让汽车停止充电和放电的时间恰到好处。通常情况下,一个BMS具有一个单独的保护器,这是一组比较器,它们检查每节电池的电压,并且确保电池电压在正确的范围内。如果监控器或保护器检测到一节电池处于过压阀值上或者欠压状态,那么充电或放电将终止。如果监控器或保护器少报电压,另外一个将停止充电放电。


事实上,虽然故障很少发生,但是大多数汽车厂商都将他们的大部分时间花费在汽车的安全性开发上。这也是为什么一个车用晶片具有如此多的自我诊断特性,并且一个监控器能够诊断绝大部分系统的原因。优异的车用晶片能够检查线路断开,同时具有内建自我检测以验证已定义的内部功能,并且能够以多种方法在安全性方面为用户提供帮助。



图3
图3

电动车系统成本

与我对电动汽车的钟爱程度一样,我也很希望电动汽车能够再便​​宜一些。很明显的,电池占了汽车成本很大的部分,而减少成本最简单的方法就是花少一点钱做多一点事。在电池应用领域中,这意味着更小的保护带,反之,也就表示需要更多精确的监控器和保护器。一般情况下,保护器不如监控器精确,所以,实际上是保护器的准确性拉高了保护带数量。


主动和被动电池平衡是另外一个重要特性,如果没有电池平衡,大容量电池会很快失效,当第一节电池没电时,放电驱动停止,当第一节电池充满时,充电停止。在没有平衡的情况下,第一节完全放电的电池与第一个充满电的电池互不相干;电池平衡减少了这两节电池之间的电荷差异。被动平衡在这方面的表现很不错,你可以拿一个不可用的电池组,并且对其进行一次平衡以消除漂移效应。然而,随着时间的推移,电池容量能够保持的电荷数量也会发生改变,容量扩散会随着时间的推移变得越来越大。


还有另外几个方法能够使汽车厂商降低成本,第一代系统通常使用控制器区域网路 (CAN) 晶片和隔离器,用于与主机控制器通讯,这是比较昂贵的通讯方式。新一代的晶片拥有经改良的通讯方式,在无需隔离器的情况下,透过隔离式差分通用非同步收发传输器(UART)来完成通讯,而数个TI的bq76PL455A-Q1能够以菊花链配置进行通讯,价格低廉的电容器能够帮助你实现隔离。



图4
图4

整合的监控器和保护器,及每个IC能够监控越来越多的电池数量也有助于进一步降低成本。以TI现有的解决方案而言,能够监控多达16节电池,并且具有一个整合式保护器,进而大幅降低了系统成本,特别是对于48V中度混合动力系统,因为单一晶片能够替代多达4个晶片、2个12节监控器和2个12节保护器。


结论

由此可见,若要拥有良好的电动车驾驶体验,BMS的电源管理晶片的表现,有着不可或缺的地位。然而,由于串联电池数量的不同,牵动了对应的晶片数量多寡与否,优异的BMS电源管理晶片必须能广泛支援不同电动车的功率等级,同时扮演好电压与电流监控的角色,才能为驾驶带来良好的驾驶体验与延长电池的寿命。


(本文作者现任职于TI行销和业务开发总监)


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