圖1比(bi)較(jiao)了(le)幾(ji)種(zhong)常(chang)見(jian)的(de)電(dian)池(chi)技(ji)術(shu)。目(mu)前(qian)，鋰(li)離(li)子(zi)是(shi)一(yi)個(ge)明(ming)確(que)的(de)選(xuan)擇(ze)，它(ta)在(zai)當(dang)今(jin)汽(qi)車(che)電(dian)氣(qi)化(hua)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)非(fei)常(chang)普(pu)遍(bian)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，鋰(li)離(li)子(zi)也(ye)有(you)缺(que)點(dian)。充(chong)電(dian)很(hen)麻(ma)煩(fan)，而(er)且(qie)很(hen)難(nan)測(ce)量(liang)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)充(chong)電(dian)狀(zhuang)態(tai)。此(ci)外(wai)
，包(bao)括(kuo)複(fu)雜(za)的(de)熱(re)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)
，高(gao)昂(ang)的(de)價(jia)格(ge)等(deng)都(dou)是(shi)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)缺(que)陷(xian)。

 

鋰離子特性

 

圖2miaoshuledianxinglilizidianchidechongfangdiantexing。yidandianchizaichongdianhuofangdianguochengzhongdadaobaohe
，dianchidianyazaidaduoshugongzuobaoluodianchineijihubaochihengding。pingtandefangdianquxianshiqichengweidiandongqichezuiai，yinweidianchizaikuandegongzuofanweineitigongjihuhengdingdenengliang。

 

圖2典型鋰離子電池的充放電曲線。來源：STMicroelectronics

 

然而，這一特性和其他固有特性一起
，給電池管理帶來了挑戰。更重要的是
，電池特性在很大程度上決定了車輛的行駛範圍、電池的使用壽命、安全性以及車輛的可用性。例如，需要知道用戶在充電前可以走多遠。

 

陽極/陰極由不同的材料組成

，這會影響電池的特性。例如

，鋰離子電池的充電電壓為3.8伏至4.2伏，其容差約為±50毫伏
，這取決於所用的陽極/陰極材料。當充電電流低於電池額定值的3%時，電池被視為完全充電。雖然提高充電電流不影響總充電時間，但它可以加快時間，達到約70%的容量。

 

事實上
，為了延長使用壽命，鋰離子電池充電至低於100%的電量是可取的，因為鋰離子電池不能接受過度充電而不造成電池損壞和安全危險。因此
，係統設計者必須權衡充電、電池使用壽命、安全性和充電時間等種種參數。

 

還hai有you其qi他ta的de挑tiao戰zhan和he細xi微wei之zhi處chu需xu要yao考kao慮lv。電dian池chi以yi陣zhen列lie串chuan聯lian和he並bing聯lian的de方fang式shi連lian接jie，以yi增zeng加jia電dian壓ya和he容rong量liang
，這zhe使shi得de管guan理li過guo充chong電dian或huo欠qian充chong電dian的de問wen題ti變bian得de複fu雜za。BMU實現“單元平衡”以確保堆棧中的所有單元處於相同的充電水平。

 

出chu於yu幾ji個ge原yuan因yin，監jian測ce電dian池chi溫wen度du也ye很hen重zhong要yao。充chong電dian過guo程cheng中zhong明ming顯xian的de溫wen升sheng表biao明ming存cun在zai故gu障zhang。此ci外wai
，鋰li離li子zi電dian池chi在zai寒han冷leng的de溫wen度du下xia
，例li如ru在zai冰bing凍dong環huan境jing下xia充chong電dian不bu好hao。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia，BMU可以通過加熱給電池進行溫度補償。

 

最zui後hou，即ji使shi嚴yan格ge控kong製zhi充chong電dian和he放fang電dian，電dian池chi的de容rong量liang也ye會hui隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi而er降jiang低di，因yin為wei它ta經jing曆li了le多duo次ci充chong放fang電dian循xun環huan，需xu要yao進jin行xing補bu償chang。隨sui著zhe電dian池chi組zu的de老lao化hua和he容rong量liang的de減jian少shao，BMU可以擴大充放電窗口，使車輛在整個壽命期內確保其有更好的行駛體驗。

 

電池單元管理

 

汽車電動汽車/混合動力電動汽車（HEV）蓄(xu)電(dian)池(chi)包(bao)含(han)數(shu)百(bai)個(ge)串(chuan)聯(lian)和(he)並(bing)聯(lian)的(de)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)
，從(cong)已(yi)經(jing)討(tao)論(lun)過(guo)的(de)挑(tiao)戰(zhan)中(zhong)可(ke)以(yi)清(qing)楚(chu)地(di)看(kan)出(chu)，隻(zhi)有(you)正(zheng)確(que)地(di)管(guan)理(li)電(dian)池(chi)，才(cai)能(neng)保(bao)持(chi)安(an)全(quan)和(he)壽(shou)命(ming)優(you)化(hua)的(de)運(yun)行(xing)
，串(chuan)聯(lian)中(zhong)的(de)每(mei)個(ge)電(dian)池(chi)單(dan)元(yuan)都(dou)必(bi)須(xu)單(dan)獨(du)診(zhen)斷(duan)和(he)平(ping)衡(heng)。

 

圖3該圖顯示了電池組監控和電池平衡的信號路徑。來源：STMicroelectronics

 

如果目標是優化車輛，則信號路徑必須提供估計充電狀態所需的精度（圖3）。具體來說


，由於圖2所示的充電/fangdianquxianpingtan，dianchidianyaheduizhandianliuceliangjingduzhiguanzhongyao。ciwai
，dianchiguanlijiejuefanganyoushibaokuokulunjishuceliangdianliuanpeimiaojinchuduizhanzuoweijiaochajianzhagujizhenggedianchizudechongdianzhuangtai。

 

由(you)於(yu)測(ce)量(liang)和(he)控(kong)製(zhi)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)，集(ji)成(cheng)的(de)多(duo)通(tong)道(dao)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)包(bao)括(kuo)單(dan)元(yuan)平(ping)衡(heng)以(yi)及(ji)電(dian)壓(ya)和(he)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)

，是(shi)一(yi)種(zhong)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)高(gao)且(qie)優(you)化(hua)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。這(zhe)種(zhong)監(jian)控(kong)和(he)平(ping)衡(heng)裝(zhuang)置(zhi)的(de)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)是(shi)來(lai)自(zi)ST的L9963芯片
，它支持每個芯片多達14個單元
，最多7個NTC溫度傳感器輸入。

 

圖4這些圖顯示了三種BMU架構方法。來源：STMicroelectronics

 

如圖4所示
，一個L9963芯片提供了14個單元管理單元（CMU）和模塊管理單元（MMU）功gong能neng所suo需xu的de功gong能neng。電dian池chi監jian測ce和he保bao護hu芯xin片pian提ti供gong了le一yi個ge高gao精jing度du的de電dian池chi電dian壓ya測ce量liang路lu徑jing，它ta同tong步bu電dian池chi電dian壓ya和he電dian池chi組zu電dian流liu讀du數shu，提ti供gong整zheng個ge電dian池chi組zu充chong電dian狀zhuang態tai的de指zhi示shi。

 

一個或多個這樣的設備與一個合適的微控製器的組合來實現電池組管理單元（PMU）——提供了一個完整的電池組解決方案（圖5）。

 

圖5該框圖顯示了組成BMU解決方案的器件組合。來源：STMicroelectronics

 

對於每個連接的電池
，CMU獲取電池電壓和溫度

，並通過電流隔離接口將這些數據傳輸到主處理單元。CMUzhijieyingxiangzhenggedianchidecanshu，tanenggougengjingquediquedingdianchidianya，congerkeyigenghaodiliyongdianchidekeyongrongliang，bingqiekeyigengjingquedigeichuqitagenggaojibiedeyingyongcanshu
，lirudianhezhuangtai。

 

為wei了le實shi現xian電dian池chi之zhi間jian的de有you效xiao電dian荷he平ping衡heng，可ke以yi采cai用yong被bei動dong平ping衡heng方fang法fa。切qie換huan負fu載zai與yu每mei個ge電dian池chi並bing聯lian放fang置zhi，以yi便bian在zai充chong電dian階jie段duan，單dan個ge電dian池chi的de充chong電dian水shui平ping可ke以yi保bao持chi恒heng定ding，或huo者zhe在zai開kai關guan導dao通tong的de情qing況kuang下xia電dian流liu稍shao微wei降jiang低di。當dang帶dai有you非fei導dao電dian“平衡旁路”的電池繼續提高其充電水平時，這將平衡整個電池組的電荷水平。

 

在這裏，L9963電池保護芯片簡化了這種被動平衡

，因為它提供了集成的平衡MOSFET的方式
，隻需要外部平衡負載。此外
，該裝置提供了多種配置選項
，以促進對平衡過程的自主和簡化控製。

 

然後
，必須用電流將采集到的信息從車輛的高電壓總線傳輸到診斷單元，並將其與傳統的數據處理單元進行適當的隔離。L9963芯片支持基於變壓器和電容器的耦合，以創建電隔離接口。

 

快速通信是關鍵，L9963允許高達2.66 Mbps的數據速率
，這意味著對於一個完整的400V電池，更新間隔不到4毫秒。比如
，電池組由96個電池單元和7個L9963設備串聯組成
，每個單元管理14個單元的堆棧
，所有L9963設備通過一個菊花鏈通信接口進行通信。

 

傳感器數據的采集、測量的完整性測試、采樣數據的傳輸以及對電池的永久監控
，對於車輛的運行和車輛的乘員來說都是安全關鍵。根據ISO 26262標準開發的符合ASIL D安全要求的適當電池管理裝置，L9963也設計了安全功能。

 

鋰離子電池的化學特性提供了卓越的功率密度和質量功率比，這些特性是最大限度地擴大車輛每次充電裏程的關鍵。本文強調了BMU的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)，以(yi)確(que)保(bao)電(dian)池(chi)達(da)到(dao)預(yu)期(qi)的(de)性(xing)能(neng)，並(bing)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)，同(tong)時(shi)滿(man)足(zu)安(an)全(quan)要(yao)求(qiu)。在(zai)組(zu)件(jian)級(ji)別(bie)
，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)信(xin)號(hao)路(lu)徑(jing)必(bi)須(xu)在(zai)較(jiao)寬(kuan)的(de)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)提(ti)供(gong)高(gao)精(jing)度(du)
，並(bing)且(qie)有(you)適(shi)當(dang)的(de)控(kong)製(zhi)來(lai)管(guan)理(li)電(dian)池(chi)。

 

圖6該框圖顯示了電動汽車能量傳輸和儲存係統的布局。來源：STMicroelectronics

 

不過，電池組和BMU隻是與電動汽車相關的整體能量傳輸和存儲係統的一部分（圖6）。除(chu)了(le)安(an)裝(zhuang)在(zai)車(che)主(zhu)車(che)庫(ku)的(de)充(chong)電(dian)設(she)備(bei)外(wai)，隨(sui)著(zhe)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)銷(xiao)量(liang)的(de)不(bu)斷(duan)增(zeng)長(chang)，充(chong)電(dian)樁(zhuang)也(ye)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)。充(chong)電(dian)樁(zhuang)與(yu)車(che)載(zai)充(chong)電(dian)器(qi)相(xiang)連(lian)，該(gai)充(chong)電(dian)器(qi)將(jiang)來(lai)自(zi)電(dian)網(wang)的(de)輸(shu)入(ru)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)為(wei)高(gao)壓(ya)直(zhi)流(liu)電(dian)（HVDC）。有些充電器直接提供高壓直流電，可以在20到30分鍾內將車輛充電到70%以上。

 

電動汽車（BEV）和混合動力汽車（HEV）如今已被市場所接受，通過使用適當的電池充電技術，消費者發現他們可以在不影響車輛性能和便利性的情況下實現綠色節能的生活。

 

本文作者：

JohnJohnson是ST美洲地區的汽車係統營銷經理。

Markus Ekler是ST ASSP/ASIC部門高級技術營銷工程師。