锂离子电池管理系统如何保障电动汽车电池组

电池组是包括电动车以及电动工具中最昂贵的部件，电池组的性能对电动汽车的整车使用寿命、使用寿命、充电时间等都有很大的影响，更不用说汽车的安全性和可靠性了。因此，电池管理需要持续研究和发展。

从车辆系统的角度来看，电池组的关键性能指标（KPI）包括直流连接电压、能量密度、比功率和电池预期寿命等参数。到目前为止，锂离子电池提供了良好的效果；然而，锂离子化学给汽车电子设备的电池组“维护和供给”带来了相当大的负担。

锂离子的使用要求电池管理单元（BMU）在共模电压超过几百伏的噪声环境中精准测量。除了监测电池的电压和温度外，BMU还必须执行电池平衡和库仑计数等关键功能，同时确保整个电池组在符合严格的ISO 26262功能安全要求的范围内工作。

为什么选择锂离子？

能量密度（W-h/l）和质量功率比（Energy/kg）是电动汽车电池设计的两个重要指标。这些性能指标由多个车辆级别的性能参数决定；最重要的是每次充电的续航里程。为了优化每次充电的范围，储能必须紧凑轻便。

能量密度越高，车内传输的能量就越多；再加上质量功率比越大，有效载荷越轻，车辆续航里程就越大。除了影响车辆行驶里程外，电池组的紧凑性为其他关键的电动汽车系统留下了空间，如车载充电器和将电能转化为运动的牵引驱动系统。

性图1这些图表显示了电池的不同化学特性。来源：STMicroelectronics

图1比较了几种常见的电池技术。目前，锂离子是一个明确的选择，它在当今汽车电气化中的应用非常普遍。尽管如此，锂离子也有缺点。充电很麻烦，而且很难测量锂离子电池的充电状态。此外，包括复杂的热管理系统，高昂的价格等都是锂离子电池的缺陷。

锂离子特性

图2描述了典型锂离子电池的充放电特性。一旦电池在充电或放电过程中达到饱和，电池电压在大多数工作包络电池内几乎保持恒定。平坦的放电曲线使其成为电动汽车最爱，因为电池在宽的工作范围内提供几乎恒定的能量。

图2典型锂离子电池的充放电曲线。来源：STMicroelectronics

然而，这一特性和其他固有特性一起，给电池管理带来了挑战。更重要的是，电池特性在很大程度上决定了车辆的行驶范围、电池的使用寿命、安全性以及车辆的可用性。例如，需要知道用户在充电前可以走多远。

阳极/阴极由不同的材料组成，这会影响电池的特性。例如，锂离子电池的充电电压为3.8伏至4.2伏，其容差约为±50毫伏，这取决于所用的阳极/阴极材料。当充电电流低于电池额定值的3%时，电池被视为完全充电。虽然提高充电电流不影响总充电时间，但它可以加快时间，达到约70%的容量。

事实上，为了延长使用寿命，锂离子电池充电至低于100%的电量是可取的，因为锂离子电池不能接受过度充电而不造成电池损坏和安全危险。因此，系统设计者必须权衡充电、电池使用寿命、安全性和充电时间等种种参数。

还有其他的挑战和细微之处需要考虑。电池以阵列串联和并联的方式连接，以增加电压和容量，这使得管理过充电或欠充电的问题变得复杂。BMU实现“单元平衡”以确保堆栈中的所有单元处于相同的充电水平。

出于几个原因，监测电池温度也很重要。充电过程中明显的温升表明存在故障。此外，锂离子电池在寒冷的温度下，例如在冰冻环境下充电不好。在这种情况下，BMU可以通过加热给电池进行温度补偿。

最后，即使严格控制充电和放电，电池的容量也会随着时间的推移而降低，因为它经历了多次充放电循环，需要进行补偿。随着电池组的老化和容量的减少，BMU可以扩大充放电窗口，使车辆在整个寿命期内确保其有更好的行驶体验。

电池单元管理

汽车电动汽车/混合动力电动汽车（HEV）蓄电池包含数百个串联和并联的锂离子电池，从已经讨论过的挑战中可以清楚地看出，只有正确地管理电池，才能保持安全和寿命优化的运行，串联中的每个电池单元都必须单独诊断和平衡。

图3该图显示了电池组监控和电池平衡的信号路径。来源：STMicroelectronics

如果目标是优化车辆，则信号路径必须提供估计充电状态所需的精度（图3）。具体来说，由于图2所示的充电/放电曲线平坦，电池电压和堆栈电流测量精度至关重要。此外，电池管理解决方案有时包括库仑计数测量电流安培秒进出堆栈作为交叉检查估计整个电池组的充电状态。

由于测量和控制的复杂性，集成的多通道集成电路包括单元平衡以及电压和温度测量，是一种成本效益高且优化的解决方案。这种监控和平衡装置的一个例子是来自ST的L9963芯片，它支持每个芯片多达14个单元，最多7个NTC温度传感器输入。

图4这些图显示了三种BMU架构方法。来源：STMicroelectronics

如图4所示，一个L9963芯片提供了14个单元管理单元（CMU）和模块管理单元（MMU）功能所需的功能。电池监测和保护芯片提供了一个高精度的电池电压测量路径，它同步电池电压和电池组电流读数，提供整个电池组充电状态的指示。

一个或多个这样的设备与一个合适的微控制器的组合来实现电池组管理单元（PMU）——提供了一个完整的电池组解决方案（图5）。

图5该框图显示了组成BMU解决方案的器件组合。来源：STMicroelectronics

对于每个连接的电池，CMU获取电池电压和温度，并通过电流隔离接口将这些数据传输到主处理单元。CMU直接影响整个电池的参数，它能够更精确地确定电池电压，从而可以更好地利用电池的可用容量，并且可以更精确地给出其他更高级别的应用参数，例如电荷状态。

为了实现电池之间的有效电荷平衡，可以采用被动平衡方法。切换负载与每个电池并联放置，以便在充电阶段，单个电池的充电水平可以保持恒定，或者在开关导通的情况下电流稍微降低。当带有非导电“平衡旁路”的电池继续提高其充电水平时，这将平衡整个电池组的电荷水平。

在这里，L9963电池保护芯片简化了这种被动平衡，因为它提供了集成的平衡MOSFET的方式，只需要外部平衡负载。此外，该装置提供了多种配置选项，以促进对平衡过程的自主和简化控制。

然后，必须用电流将采集到的信息从车辆的高电压总线传输到诊断单元，并将其与传统的数据处理单元进行适当的隔离。L9963芯片支持基于变压器和电容器的耦合，以创建电隔离接口。

快速通信是关键，L9963允许高达2.66 Mbps的数据速率，这意味着对于一个完整的400V电池，更新间隔不到4毫秒。比如，电池组由96个电池单元和7个L9963设备串联组成，每个单元管理14个单元的堆栈，所有L9963设备通过一个菊花链通信接口进行通信。

传感器数据的采集、测量的完整性测试、采样数据的传输以及对电池的永久监控，对于车辆的运行和车辆的乘员来说都是安全关键。根据ISO 26262标准开发的符合ASIL D安全要求的适当电池管理装置，L9963也设计了安全功能。

锂离子电池的化学特性提供了卓越的功率密度和质量功率比，这些特性是最大限度地扩大车辆每次充电里程的关键。本文强调了BMU的重要性，以确保电池达到预期的性能，并最大限度地延长电池的使用寿命，同时满足安全要求。在组件级别，这意味着信号路径必须在较宽的温度范围内提供高精度，并且有适当的控制来管理电池。

图6该框图显示了电动汽车能量传输和储存系统的布局。来源：STMicroelectronics

不过，电池组和BMU只是与电动汽车相关的整体能量传输和存储系统的一部分（图6）。除了安装在车主车库的充电设备外，随着电动汽车销量的不断增长，充电桩也变得越来越多。充电桩与车载充电器相连，该充电器将来自电网的输入功率转换为高压直流电（HVDC）。有些充电器直接提供高压直流电，可以在20到30分钟内将车辆充电到70%以上。

电动汽车（BEV）和混合动力汽车（HEV）如今已被市场所接受，通过使用适当的电池充电技术，消费者发现他们可以在不影响车辆性能和便利性的情况下实现绿色节能的生活。

本文作者：

JohnJohnson是ST美洲地区的汽车系统营销经理。

Markus Ekler是ST ASSP/ASIC部门高级技术营销工程师。