中心議題：

• PHEV的數字電源控製和電池管理策略

隨著汽車製造廠商對下一代電池管理和充電係統要求的確定，半導體公司正在推進預期能夠滿足這些要求的產品開發進程。TI電源係統工程師John Rice將討論與插電式混合動力汽車(PHEV)中的大功率、離線式電池充電器開發相關的設計要求
、架構及挑戰，並舉例說明為何要為這類應用創建數字電源架構。

電動汽車設計環境

電動交通工具泛指使用高壓電池和電動機進行推進的車輛。與僅用內燃機（ICE）提供動力的汽車相比，這種技術的優勢在於，電動機在產生扭矩（特別是在加速過程中）時要比ICE高效得多。另外，電動汽車可以在刹車時回收動能，而其它類汽車隻能以熱量的形式損耗掉。混合動力汽車（HEV）與新興的PHEV汽車不同，它們使用較低容量的電池和電動機輔助主要ICE加速。這種混合扭矩加上再生製動能力可進一步改善燃油利用率，並減少碳排放。

不過
，減少排放還不能完全滿足針對汽車零排放的最新法律要求。因此

，作為新興汽車PHEV的動力完全來自於清潔電網能量。

所謂的串聯電動汽車與並聯HEV不同，不是從兩種來源混合扭矩。所有推進扭矩來自更大的電動機，一般大於80kW。在某些情況下，會增加一個小型的、性能經過優化的續駛裏程ICE，用於解決純電動汽車電池的裏程限製問題。ICE用作發電機給電動機供電
，並給電池充電。不管是在PHEV還是HEV中，增加高壓電池和電動機從根本上改變了汽車的電氣、機械和安全係統。因此最終需要複雜和高度智能的功率電子和電池管理係統。

電池設計挑戰

在過去一百年左右的時間內，工程師已經使汽油推進係統變得十分完善。現在
，OEM及其供應商改變過去的方式，開始組成聯盟，突破常規
，集中力量優化電動推進係統。

電(dian)動(dong)推(tui)進(jin)係(xi)統(tong)的(de)高(gao)成(cheng)本(ben)表(biao)現(xian)在(zai)產(chan)品(pin)開(kai)發(fa)和(he)元(yuan)件(jian)複(fu)雜(za)度(du)方(fang)麵(mian)，需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)複(fu)雜(za)和(he)容(rong)錯(cuo)性(xing)的(de)汽(qi)車(che)智(zhi)能(neng)和(he)功(gong)率(lv)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)連(lian)續(xu)管(guan)理(li)數(shu)十(shi)千(qian)瓦(wa)的(de)功(gong)率(lv)。

在zai傳chuan統tong汽qi油you動dong力li汽qi車che中zhong，測ce量liang油you量liang是shi一yi個ge簡jian單dan任ren務wu。根gen據ju具ju體ti的de汽qi車che
，油you量liang表biao可ke能neng隻zhi是shi由you連lian接jie到dao一yi個ge發fa送song部bu件jian的de加jia熱re線xian圈quan所suo驅qu動dong的de雙shuang金jin屬shu條tiao。而er在zai電dian動dong汽qi車che中zhong
，“油箱”是由串聯/並聯的許多電池單元（可能100節或以上）組成的高壓電池。對電荷狀態（SOC）的精確判斷要求對每節電池進行精確的電壓測量（在幾個毫伏內）。

這是電池管理係統的工作。BMS是一個高精度的係統，用於向中央處理器報告有關電池單元的電壓

、電流和溫度等詳細信息
，然後由中央處理器負責計算電池的SOC。不能精確地測量電池不僅會誤報電池SOC

，還會縮短電池使用壽命，或產生不安全的、潛在性的災情。

為了避免出現這種情況
，業界開發出了滿足ISO26262之類新興標準的IC，它們通過硬件內置測試功能，以及為電池單元的過壓/欠壓監視等安全關鍵功能提供的N+1rongyubaohu，laiquebaoxitongkekaoyunzuo。ruguodianchizuzhongdeyijiedianchibeipojinrushendufangdianzhuangtai
，huobeiguoduchongdian，zhejiedianchikenengyongjiuxingsunhuai，bingkenengchuxianreshikong——自我破壞狀態。因此
，除了主要的電池監視係統外還需要二級保護。

更先進的BMS能夠同步電壓和電流測量，並作為連續測量電池阻抗的一種方式。阻抗是電池健康狀態（SOH）的一個重要指示。
圖1顯示了足以用來測量電池SOC和SOH的典型電池單元配置和BMS。請(qing)注(zhu)意(yi)，串(chuan)聯(lian)電(dian)池(chi)組(zu)中(zhong)的(de)任(ren)何(he)一(yi)節(jie)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)都(dou)會(hui)限(xian)製(zhi)整(zheng)個(ge)電(dian)池(chi)組(zu)容(rong)量(liang)。換(huan)句(ju)話(hua)說(shuo)
，如(ru)果(guo)某(mou)節(jie)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)先(xian)於(yu)其(qi)它(ta)電(dian)池(chi)達(da)到(dao)了(le)最(zui)大(da)或(huo)最(zui)小(xiao)電(dian)壓(ya)
，充(chong)電(dian)或(huo)放(fang)電(dian)周(zhou)期(qi)必(bi)須(xu)被(bei)中(zhong)斷(duan)。（圖中用綠色標示的）單元平衡電路用於確保所有單元被均勻一致地充電和放電。

電池充電器基本原理

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電池充電器基本原理

電動汽車充電器是根據輸出功率/輸入電壓分類的。一類充電器通常集成在電路板上，輸入的是95V至265V的交流電壓，充電能力在1.5kW和3.3kW之間。專用的二類和三類充電器工作於240V/480V配線係統，能夠以快得多的速率完成充電，但限於汽車電池和連接器約束範圍內。例如
，SAE J1772是目前北美地區唯一獲得批準的電動汽車連接器標準
，功率限製為16.8kW以下。

與用於便攜式電子設備的電池不同，汽車級電池可以適應大得多的充電電流，而不會影響電池壽命或接近熱失控。充電器的額定值（C）被定義為流入電池的電流，正比於以安培－小時（Ah）為單位測量的電池容量。例如，一個1C充電器以1A的電流給1Ah電池充電。

盡管傳統的鋰離子電池可能限於1C
，但一些汽車電池可以用遠高於這個限值的電流充電，從而縮短再次充電時間。事實上
，工作在480V/三相電壓的大功率三類充電器，給電動汽車電池充電的時間與加滿一箱油的時間相近。

請(qing)注(zhu)意(yi)
，電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)電(dian)池(chi)容(rong)量(liang)一(yi)般(ban)是(shi)用(yong)千(qian)瓦(wa)時(shi)表(biao)示(shi)
，將(jiang)千(qian)瓦(wa)時(shi)額(e)定(ding)值(zhi)除(chu)以(yi)標(biao)稱(cheng)電(dian)池(chi)平(ping)坦(tan)電(dian)壓(ya)
，可(ke)鬆(song)散(san)關(guan)聯(lian)到(dao)電(dian)池(chi)的(de)安(an)培(pei)小(xiao)時(shi)額(e)定(ding)值(zhi)。例(li)如(ru)
，將(jiang)一(yi)個(ge)24 KWh的電池從10%充電到滿充狀態
，日產LEAF電動汽車集成的一款3.3kW充電器需要用8個小時 。

另外需要注意的是，電動汽車電池的放電深度影響電池單元壽命，因此這種電池在充電周期開始時通常需要保留至少10%的電池容量。

充電器的架構設計

板載充電器必須符合嚴格的電磁兼容性
、功率因數和UL/IEC安全標準方麵的工業和政府法規要求。與所有其它的鋰化學工業一樣，電動汽車推進電池充電器采用恒流、恒壓（CC/CV）充電算法
，電池先被可編程的電流源充電，直到它達到電壓設置點，然後轉入穩壓階段，同時監視電池電流作為充電周期完成的指示。

充電電流（功率）由BMS、混合控製模塊（HCM）和電動車服務設備協商確定，具體取決於使用的輸入電壓
、溫度和電池SOC/SOH，以及受HCM監視的其它係統考慮因素。這種控製算法的安全性和容錯性不能打任何折扣。

合適的電源架構涉及交錯式功率因數校正（PFC）和隨後的相移全橋電路，如圖2所示。控製反饋參數由微控製器數字化。這個微控製器能夠以數字方式關閉多個控製環路，並精確地調製高壓MOSFET開關。集中和高度智能的控製機製可以應對模擬技術不易解決的許多問題。

更先進的微控製器集成協處理器（控製律加速器（CLA））和多個高分辨率脈寬調製器（PWM）
，前者用於加速控製環路傳輸函數的運算
，後者能夠控製功率開關在150ps內(nei)。這(zhe)種(zhong)架(jia)構(gou)能(neng)夠(gou)動(dong)態(tai)適(shi)應(ying)線(xian)路(lu)和(he)負(fu)載(zai)的(de)變(bian)化(hua)，記(ji)錄(lu)係(xi)統(tong)操(cao)作(zuo)參(can)數(shu)數(shu)據(ju)，並(bing)實(shi)現(xian)前(qian)瞻(zhan)性(xing)的(de)無(wu)差(cha)錯(cuo)算(suan)法(fa)，同(tong)時(shi)通(tong)過(guo)一(yi)個(ge)地(di)隔(ge)離(li)的(de)控(kong)製(zhi)區(qu)域(yu)網(wang)絡(luo)智(zhi)能(neng)連(lian)接(jie)所(suo)有(you)其(qi)它(ta)汽(qi)車(che)子(zi)係(xi)統(tong)。

最近在數字電源方麵的發展使得這種方法更加可行
，更具成本效益及可擴展性，並且更適合電動汽車中的大功率多相位應用。

針對數字補償和每種可能的電源拓撲的大型
、可擴展的模塊化軟件庫可以由有經驗的軟件設計師進行集成；另外還能獲得與數字和模擬電源解決方案作對比的測試報告。例如，考慮圖2所示的兩相交錯式PFC功能。PFC升壓開關受到實現多模式PFC的PWM1控製，可以產生電池充電器的兼容電壓。

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從圖3可ke以yi明ming顯xian看kan出chu這zhe種zhong拓tuo撲pu的de適shi應ying性xing
，其qi中zhong的de數shu字zi補bu償chang和he相xiang位wei管guan理li模mo塊kuai在zai軟ruan件jian控kong製zhi下xia是shi可ke變bian的de。采cai用yong數shu字zi技ji術shu還hai能neng使shi係xi統tong不bu易yi受shou噪zao聲sheng和he溫wen度du的de影ying響xiang，同tong時shi智zhi能neng同tong步bu電dian源yuan級ji電dian路lu，使shi幹gan擾rao最zui小xiao並bing優you化hua濾lv波bo器qi設she計ji。

圖3闡明了升壓PFC的de完wan整zheng代dai碼ma模mo塊kuai性xing。類lei似si的de代dai碼ma構gou造zao可ke以yi用yong零ling電dian壓ya開kai關guan實shi現xian移yi相xiang橋qiao，從cong而er使shi轉zhuan換huan器qi開kai關guan損sun耗hao達da到dao最zui小xiao，同tong時shi提ti高gao效xiao率lv。級ji聯lian拓tuo撲pu能neng夠gou達da到dao95%以上的充電器效率，並使係統故障容錯性能最大化，係統成本降至最低。